第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备课件

第五章

沉降与过滤

重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备

第五章

沉降与过滤

重点：过滤和均相物系(honogeneoussystem):

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。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):

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。

概述均相物系(honogeneoussystem):均相混合混合物均相混合物：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的相，可以用机械的方法分离。相界面两侧的物质性质不同。固体——固体：固体混合固体——液体：悬浮液固体——气体：含尘气体液体——气体：含雾气体液体——液体：乳浊液非均相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。非均相物系的分离原理：根据两相物理性质(如密定义：沉降力场：重力、离心力。

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。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。第一节沉降Settling定义：沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，图流体绕过颗粒的流动uFdFd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。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。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。一、颗粒运动时的阻力图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反

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。颗粒所受的阻力Fd可用下式计算ρ——流体密度；颗粒所受的阻力Fd可用下式计算层流区过渡区湍流区层流区过渡区湍流区

层流区（斯托克斯Stokes区，Re<1）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。过渡区（艾仑Allen区，1<Re<500）湍流区（牛顿Newton区，500<Re<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：层流区（斯托克斯Stokes区，Re<1）

自由沉降（freesettling）：

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。

二、重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：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（freesettling）根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力Fg阻力Fd浮力Fbp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:u重力随着颗粒向下沉降，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。上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度（terminalvelocity）：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加速阶段；匀速阶段。随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d逐渐减少。上式表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）过渡区（1<Re<500）湍流区（500<Re<105）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。将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在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!求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：

1.假设流体流动类型；求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求例：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。计算Re，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas先设为层流区。

例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分1)颗粒直径dp: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：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：2影响沉降速度的因素(以层流区为例)

1)颗粒直径dp:应用：2)连续相的粘度：应用：2影4)

颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s

来描述。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。

不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。球形度s越小，阻力系数

越大，但在层流区不明显。ut非球<ut球。对于细微颗粒(d<0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：4)颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s6)干扰沉降（hinderedsettling）：

当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。5)壁效应

(walleffect)：

当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。6)干扰沉降（hinderedsettling）：5)壁二、沉降设备---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>5～10m颗粒二、沉降设备---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>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，是一种最原假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同；停留时间T＝l/u沉降时间Tt＝H/ut颗粒分离出来的条件是l/u≥H/utlHb净化气体含尘气体uut降尘室的计算假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同；lHb净化气增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-固混合物与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。与降尘室相同增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备课件第二节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，沉降离心机第二节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离心沉降：

依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程

适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。

重力场离心力场力场强度重力加速度guT2/R

方向指向地心

沿旋转半径从中心指向外周

Fg=mg

作用力

惯性离心力场与重力场的区别

离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程重力场离心一、离心力作用下的沉降速度r1r2ArCBuruut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时，就产生惯性离心力。如图：球体直径为d，切向运动速度为ut，球体距中心o点的距离为r，球形颗粒ρs，流体ρ。则颗粒在图示位置受三个力作用达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速度ur惯性离心力－向心力=阻力一、离心力作用下的沉降速度r1r2ArCBuruut颗粒在旋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u离心力Fc阻力Fd浮力Fb颗粒在离心力场中的受力分析2离心沉降速度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。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:与重力沉降比较Kc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。离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位置上的注意：离心沉降与重力沉降的类比。比较ur，ut：Ur：是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随r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。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。ut：恒值，方向向下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液体中的固体颗粒

重力沉降

离心沉降

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

注意：离心沉降与重力沉降的类比。比较ur，ut：旋风分离器用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；分离效率高；可用于高温含尘气体的分离；特点：结构：外圆筒；内圆筒；锥形筒。3旋风分离器(cycloneseparator)旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。其结构简单含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为15～20m/s。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，气流在内层。气固得以分离。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运动。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出；固相沿内壁落入灰斗。外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外螺旋内螺旋工作过程含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为15～20标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui双联四联

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。双联四联用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离

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。结构和工作原理：与旋风分离器相似。4旋液分离器(hydrauliccyclone)利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径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：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。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，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。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：

5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的机械。

5.1管式离心机（tubular-bowlcentrifuge）转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。5沉降式离心机

沉降式离心机是利用离心沉降的原

分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。5.2碟式离心机（disk-bowlcentrifuge）分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔工作原理：离心机烦人壳体内设有可高速旋转的转鼓，鼓壁上开有许多小孔，内侧衬有一层或多层滤布。工作时，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。5.3三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：工作原理：离心机烦人壳体内设有可高速旋转的转过滤介质:

过滤采用的多孔物质；滤浆:所处理的悬浮液；滤液:通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣: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。

第三节

过滤

一、基本概念

1过滤(filtration)

过滤介质:过滤采用的多孔物质；以某种多孔滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)滤浆(slurry)：滤饼(filtercake)：过滤介

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）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。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

2.1滤饼过滤(cakefiltration)：饼层过滤滤饼过滤过程：(食用油脱色后出去活性炭和漂白土、架桥现象注意：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液。架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够特点：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：颗粒尺寸介质通道尺寸，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,无滤饼堆积。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。2.2深层过滤(deepbedfiltration)：

又称深床过滤（啤酒、果汁、色拉油过滤）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；过滤介质的分类：堆积介质(又称粒状介质）

由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤；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浮液，如白酒等的精滤。3过滤介质织物介质(又称滤布)过滤介质的分类：堆积介质(又称粒状介质）过滤介质应具有如下性质：

过滤介质的作用(滤饼过滤)：

促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。过滤介质应具有如下性质：过滤介质的作用(滤饼过滤)：（不可压缩滤饼：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。可压缩滤饼：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，此类滤饼称为可压缩滤饼。

4滤饼的压缩性和助滤剂不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大助滤剂：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。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本要求：1、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。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而

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为de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。二、过滤的基本理论

1滤液通过饼层的流动dpde对于颗粒层中不规则的通道，可以简颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中ε——床层的空隙率，m3/m3。式中α——颗粒的比表面，m2/m3。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可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单式中V——滤液量，m3；

t——过滤时间，s；

A——过滤面积，m2。任一瞬间的过滤速度为：过滤速度:单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m3/m2s。3过滤速率式中V——滤液量，m3；任一瞬间的过滤速度为：过滤速度R—滤饼阻力，1/m,其计算式为：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，r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L，滤饼阻力为式中r—滤饼的比阻，1/m2,对于不可压缩滤饼，其计算式为：R=rL4过滤阻力R=rLe过滤介质阻力：Le—当量滤饼厚度，即与过滤介质阻力相当的滤饼层厚度R—滤饼阻力，1/m,其计算式为：由滤饼阻力和过滤介质阻力上式表明，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。实际操作时，分为恒压过滤和恒速过滤。式中：Δp—滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。4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：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。所以两层中的过滤速度应相等，则：上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；推动力Δp恒定；过滤速率逐渐变小。特点：三、恒压过滤定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；对于一定的悬浮液，设每获得1m3滤液所形成滤饼的体积为νm3，则滤饼厚度L：v—滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3即：

恒压过滤方程式的推导若生成厚度为Le的滤饼层所获得的滤液体积为Ve，则：Ve—过滤介质的虚拟滤液体积或当量滤液体积，m3对于一定的悬浮液，设每获得1m3滤液所形成滤饼的体积为νm3

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：—虚拟过滤时间，即获得体积为Ve的滤液所需时间，s

K—过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定，m2/s

，对于不可压缩滤饼，K与压强差δP成正比。—恒压过滤方程恒压过滤方程式的推导对于不可压缩滤饼，可以导出下列关系令q=V/A，qe=Ve/A恒压过滤方程变为：qe—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qe和均为零时：令q=V/A，qe=Ve/A恒压过滤方程变为：qe—介工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机四、过滤设备工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。洗涤板：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；非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。1板框压滤机

结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面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。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。滤框：滤浆通道：滤框右上角的圆孔洗水通道：滤框左上角的圆孔为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常滤浆洗水滤板滤框洗板滤布板框过滤机滤浆洗水滤板滤框洗板滤布板框过滤机

板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。过滤过程1)、装合：将板与框按1-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。2)、过滤：用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，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。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤3)、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，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。4)、卸渣、整理

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，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2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1/4。3)、洗涤：4)、卸渣、整理在洗液粘度与滤液结构简单，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。对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（3~10kg/cm2），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，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，使劳动强度得到减轻。板框压滤机的特点：结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。板框压滤机的特点结构：转筒，扇形格(18格)；

滤室；分配头；动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)；定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)；金属网；滤布；滤浆槽。工作过程转筒真空过滤机结构示意图动盘定盘转筒金属网滤布滤饼搅拌器洗涤喷头料浆槽刮刀2转筒真空过滤机（rotary-drumvacuumfilter）结构：转筒，扇形格(18格)；工作过程转筒真空过滤机结构示110987654321817161514131112动盘转筒及分配头的结构工作过程定盘18格分成6个工作区1区(1~7格)：过滤区；2区(8~10格)：滤液吸干区；3区(12~13格)：洗涤区；4区(14格)：洗后吸干区；5区(16格)：吹松卸渣区；6区(17格)：滤布再生区。过滤区(1~2区)，f槽;洗涤区(3~4区)，g槽

;干燥卸渣区(5~6区)，h

槽;f槽h槽g槽110987654321817161514131112动盘转自动连续操作；适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆；真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤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，能使转筒旋转一周的过程中，每个扇形格室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:特点：工作过程过滤区;洗涤区;干燥卸渣区。自动连续操作；转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒2、叶滤机属间歇式洗涤和装卸过程均较方便，占地面积小，过滤速度大，但滤饼的厚度一般不均匀，设备造价较高。滤叶一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装

特点：结构：请点击观看动画2、叶滤机属间歇式洗涤和装卸过程均较方便，占地面积小，过滤速五、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。洗涤速率为：

VW为洗涤过程所消耗的洗涤液体积，m3；为洗涤时间，s对于板框压滤机，洗涤时间以下式计算：五、滤饼洗涤滤饼存有间隙，其内存有一定量的滤液，生五、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、清洗和重装等操作，是典型的间歇操作，其生产能力计算式：

V为一个生产周期中所得到的洗涤液体积，m3；、分别一个生产周期内的洗涤时间和辅助操作时间（卸渣、清洗和重装），s。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、洗总过滤面积框内总容积操作周期生产能力间歇过滤机的计算过滤时间=V2+2VeV/KA2由q2+qeq=K=q2+qeq/K洗涤时间=8(V2+Ve)Vw/KA2总过滤面积框内总容积操作周期生产能力间歇过滤机的计算过滤时间例1：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810×810×25(mm)，共有33个框。已测出过滤常数K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2。若已知侧到得滤液体积为8.66，所用洗水量为滤液量的1/6。求：1)过滤面积和滤框内的总容量；2)过滤所需的时间；3)洗涤时间；例1：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。过滤例2：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810×810×25(mm)，共有37个框。已测出过滤常数K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2，te=1s。若已知单位面积上通过的滤液量为0.15m3/m2，所用洗水量为滤液量的1/5。求：1)过滤面积和滤框内的总容量；2)过滤所需的时间；3)洗涤时间；4)生产能力Q(td=15min)。生产能力：是指单位时间内获得的滤液量。例2：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。过滤解：1)过滤面积A=2LBZ=2×0.81×0.81×37=48.6m2

滤框总容积

Vz=LBZ=0.81×0.81×0.025×37=0.607m3

2)过滤时间3)洗涤时间4)生产能力(q+qe)2=K(t+te)(0.15+0.01)2=10-4(+1)

=255stw=8(q+qe)qw/5K=8×(0.15+0.01)×0.15/(5×10-4)=348s

解：1)过滤面积A=2LBZ=2×0.81×0.81第四节膜过滤膜分离法系指以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的方法。膜过滤法的核心是膜本身，膜必须是半透膜，即能透过一种物质,而阻碍另一种物质。第四节膜过滤膜分离法系指以压力为推动力，依靠膜的选膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜膜组件平板式管式中空纤维螺旋卷绕式将膜按一定的技术要求组装在一起即成为膜组件，是膜过滤装置的核心部件。常见的膜组件有以下几种：膜组件平板式将膜按一定的技术要求组装在一起即成为膜组件78平板式膜组件78平板式膜组件管式膜组件管式膜组件第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备课件第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备课件膜分离方法及其原理微滤超滤纳滤反渗透电渗析膜过滤的种类很多，常见的有以下几种：膜分离方法及其原理微滤膜过滤的种类很多，常见的有以下几微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001 ~0.001μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水各种膜的分离特性微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二第五节气体净化为保证药品质量，药品必须在严格控制的洁净环境中生产，因此，凡送入洁净区的空气都需要经过一系列的净化处理。除去空气中数量较多且较大的尘埃可采用机械除尘、洗涤除尘和过滤除尘等方法，较小的尘埃和细菌采用洁净空气净化系统专用过滤器去除。第五节气体净化为保证药品质量，药品必须在严格控制的一、机械除尘机械除尘——利用机械力(重力、惯性力、离心力)将固体悬浮物从气流中分离出来。常用除尘设备：重力沉降室、惯性除尘器、旋风分离器等。特点：结构简单、易于制造，操作费用低。只对大粒径粉尘的去除效率较高，常采用多级串联的形式。一、机械除尘机械除尘——利用机械力(重力、惯性力、离心二、过滤除尘将含尘气体通过多孔材料，使尘粒截留下来，从而气体得到净化，常见的为袋式除尘器。特点：结构简单、使用灵活。对粒径0.1～0.2μm的粉尘去除效率可达90%～99%。不适用于高温、高湿或强腐蚀性废气的处理。二、过滤除尘将含尘气体通过多孔材料，使尘粒截留下来，从三、洗涤除尘又称湿式除尘，用水或其他液体洗涤含尘气体，尘粒随液体排出，气体得到净化，常见的设备为填料式洗涤除尘器。特点：结构简单、设备投资少。可以除去粒径0.1μm以上的粉尘，去除效率可达80%～99%。适合高温、高湿，易燃、易爆和有毒废气的净化。缺点：消耗大量的洗涤水，需对洗涤后的水进行处理，回收；另外洗涤除尘器的气流阻力较大，因而操作费用较高三、洗涤除尘又称湿式除尘，用水或其他液体洗涤含尘气体，四、洁净空气净化流程及专用过滤器进入洁净室的空气要与洁净室等级、温度和湿度相适应，空气不仅要经过一系列的净化处理，而且需要经过加热、冷却或加湿、去湿处理。四、洁净空气净化流程及专用过滤器进入洁净室的空气要与洁四、洁净空气净化专用过滤器按性能指标的高低，洁净空气净化专用过滤器可分为四类。

(1)初效过滤器基本要求：结构简单、容尘量大和压强降小。一般采用易于清洗和更换的粗、中孔泡沫塑料、涤纶无纺布、金属丝网等过滤，常用于净化空调系统的一级过滤器，用于新风过滤，滤除粒径大于10μm的尘粒，并起到保护中、高效过滤器的作用。四、洁净空气净化专用过滤器按性能指标的高低，洁净空气净

(2)中效过滤器基本要求：与初效过滤器的基本相同。一般采用中、细孔泡沫塑料、玻璃纤维、涤纶无纺布、丙纶无纺布等过滤，滤除粒径1～10μm的尘粒，可延长高效过滤器的使用寿命。(2)中效过滤器

(3)亚高效效过滤器特点：运行压降低，噪声小、能耗少和价格便宜等优点，常用于空气洁净度低于100000级的工业和生物洁净室中。可滤除粒径1～5μm的尘粒。滤料为玻璃纤维滤纸、过氯乙烯纤维滤布、聚丙烯纤维滤布或其他纤维滤纸，气速较慢在0.01～0.03m/s。(3)亚高效效过滤器

(4)高效过滤器特点：效率高、压降大、不能再生，一般2～3年更换一次。对细菌的滤除效率接近100%，即通过高效空气过滤器后的空气可视为无菌空气。滤料一般采用超细玻璃纤维或超细过氯乙烯纤维滤布，气速控制在0.01～0.03m/s，滤除粒径0.3～1μm范围内的尘粒。(4)高效过滤器人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。人有了知识，就会具备各种分析能力，第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备课件

第五章

沉降与过滤

重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备

第五章

沉降与过滤

重点：过滤和均相物系(honogeneoussystem):

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。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):

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。

概述均相物系(honogeneoussystem):均相混合混合物均相混合物：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的相，可以用机械的方法分离。相界面两侧的物质性质不同。固体——固体：固体混合固体——液体：悬浮液固体——气体：含尘气体液体——气体：含雾气体液体——液体：乳浊液非均相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。非均相物系的分离原理：根据两相物理性质(如密定义：沉降力场：重力、离心力。

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。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。第一节沉降Settling定义：沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，图流体绕过颗粒的流动uFdFd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。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。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。一、颗粒运动时的阻力图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反

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。颗粒所受的阻力Fd可用下式计算ρ——流体密度；颗粒所受的阻力Fd可用下式计算层流区过渡区湍流区层流区过渡区湍流区

层流区（斯托克斯Stokes区，Re<1）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。过渡区（艾仑Allen区，1<Re<500）湍流区（牛顿Newton区，500<Re<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：层流区（斯托克斯Stokes区，Re<1）

自由沉降（freesettling）：

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。

二、重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：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（freesettling）根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力Fg阻力Fd浮力Fbp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:u重力随着颗粒向下沉降，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。上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度（terminalvelocity）：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加速阶段；匀速阶段。随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d逐渐减少。上式表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）过渡区（1<Re<500）湍流区（500<Re<105）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。将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在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!求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：

1.假设流体流动类型；求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求例：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。计算Re，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas先设为层流区。

例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分1)颗粒直径dp: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：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：2影响沉降速度的因素(以层流区为例)

1)颗粒直径dp:应用：2)连续相的粘度：应用：2影4)

颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s

来描述。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。

不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。球形度s越小，阻力系数

越大，但在层流区不明显。ut非球<ut球。对于细微颗粒(d<0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：4)颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s6)干扰沉降（hinderedsettling）：

当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。5)壁效应

(walleffect)：

当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。6)干扰沉降（hinderedsettling）：5)壁二、沉降设备---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>5～10m颗粒二、沉降设备---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>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，是一种最原假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同；停留时间T＝l/u沉降时间Tt＝H/ut颗粒分离出来的条件是l/u≥H/utlHb净化气体含尘气体uut降尘室的计算假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同；lHb净化气增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-固混合物与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。与降尘室相同增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备课件第二节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，沉降离心机第二节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离心沉降：

依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程

适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。

重力场离心力场力场强度重力加速度guT2/R

方向指向地心

沿旋转半径从中心指向外周

Fg=mg

作用力

惯性离心力场与重力场的区别

离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程重力场离心一、离心力作用下的沉降速度r1r2ArCBuruut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时，就产生惯性离心力。如图：球体直径为d，切向运动速度为ut，球体距中心o点的距离为r，球形颗粒ρs，流体ρ。则颗粒在图示位置受三个力作用达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速度ur惯性离心力－向心力=阻力一、离心力作用下的沉降速度r1r2ArCBuruut颗粒在旋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u离心力Fc阻力Fd浮力Fb颗粒在离心力场中的受力分析2离心沉降速度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。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:与重力沉降比较Kc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。离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位置上的注意：离心沉降与重力沉降的类比。比较ur，ut：Ur：是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随r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。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。ut：恒值，方向向下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液体中的固体颗粒

重力沉降

离心沉降

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

注意：离心沉降与重力沉降的类比。比较ur，ut：旋风分离器用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；分离效率高；可用于高温含尘气体的分离；特点：结构：外圆筒；内圆筒；锥形筒。3旋风分离器(cycloneseparator)旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。其结构简单含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为15～20m/s。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，气流在内层。气固得以分离。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运动。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出；固相沿内壁落入灰斗。外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外螺旋内螺旋工作过程含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为15～20标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui双联四联

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。双联四联用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离

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。结构和工作原理：与旋风分离器相似。4旋液分离器(hydrauliccyclone)利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径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：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。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，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。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：

5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的机械。

5.1管式离心机（tubular-bowlcentrifuge）转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。5沉降式离心机

沉降式离心机是利用离心沉降的原

分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。5.2碟式离心机（disk-bowlcentrifuge）分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔工作原理：离心机烦人壳体内设有可高速旋转的转鼓，鼓壁上开有许多小孔，内侧衬有一层或多层滤布。工作时，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。5.3三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：工作原理：离心机烦人壳体内设有可高速旋转的转过滤介质:

过滤采用的多孔物质；滤浆:所处理的悬浮液；滤液:通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣: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。

第三节

过滤

一、基本概念

1过滤(filtration)

过滤介质:过滤采用的多孔物质；以某种多孔滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)滤浆(slurry)：滤饼(filtercake)：过滤介

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）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。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

2.1滤饼过滤(cakefiltration)：饼层过滤滤饼过滤过程：(食用油脱色后出去活性炭和漂白土、架桥现象注意：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液。架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够特点：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：颗粒尺寸介质通道尺寸，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,无滤饼堆积。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。2.2深层过滤(deepbedfiltration)：

又称深床过滤（啤酒、果汁、色拉油过滤）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；过滤介质的分类：堆积介质(又称粒状介质）

由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤；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浮液，如白酒等的精滤。3过滤介质织物介质(又称滤布)过滤介质的分类：堆积介质(又称粒状介质）过滤介质应具有如下性质：

过滤介质的作用(滤饼过滤)：

促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。过滤介质应具有如下性质：过滤介质的作用(滤饼过滤)：（不可压缩滤饼：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。可压缩滤饼：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，此类滤饼称为可压缩滤饼。

4滤饼的压缩性和助滤剂不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大助滤剂：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。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本要求：1、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。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而

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为de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。二、过滤的基本理论

1滤液通过饼层的流动dpde对于颗粒层中不规则的通道，可以简颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中ε——床层的空隙率，m3/m3。式中α——颗粒的比表面，m2/m3。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可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单式中V——滤液量，m3；

t——过滤时间，s；

A——过滤面积，m2。任一瞬间的过滤速度为：过滤速度:单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m3/m2s。3过滤速率式中V——滤液量，m3；任一瞬间的过滤速度为：过滤速度R—滤饼阻力，1/m,其计算式为：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，r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L，滤饼阻力为式中r—滤饼的比阻，1/m2,对于不可压缩滤饼，其计算式为：R=rL4过滤阻力R=rLe过滤介质阻力：Le—当量滤饼厚度，即与过滤介质阻力相当的滤饼层厚度R—滤饼阻力，1/m,其计算式为：由滤饼阻力和过滤介质阻力上式表明，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。实际操作时，分为恒压过滤和恒速过滤。式中：Δp—滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。4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：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。所以两层中的过滤速度应相等，则：上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；推动力Δp恒定；过滤速率逐渐变小。特点：三、恒压过滤定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；对于一定的悬浮液，设每获得1m3滤液所形成滤饼的体积为νm3，则滤饼厚度L：v—滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3即：

恒压过滤方程式的推导若生成厚度为Le的滤饼层所获得的滤液体积为Ve，则：Ve—过滤介质的虚拟滤液体积或当量滤液体积，m3对于一定的悬浮液，设每获得1m3滤液所形成滤饼的体积为νm3

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：—虚拟过滤时间，即获得体积为Ve的滤液所需时间，s

K—过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定，m2/s

，对于不可压缩滤饼，K与压强差δP成正比。—恒压过滤方程恒压过滤方程式的推导对于不可压缩滤饼，可以导出下列关系令q=V/A，qe=Ve/A恒压过滤方程变为：qe—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qe和均为零时：令q=V/A，qe=Ve/A恒压过滤方程变为：qe—介工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机四、过滤设备工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。洗涤板：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；非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。1板框压滤机

结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面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。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。滤框：滤浆通道：滤框右上角的圆孔洗水通道：滤框左上角的圆孔为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常滤浆洗水滤板滤框洗板滤布板框过滤机滤浆洗水滤板滤框洗板滤布板框过滤机

板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。过滤过程1)、装合：将板与框按1-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。2)、过滤：用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，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。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤3)、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，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。4)、卸渣、整理

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，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2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1/4。3)、洗涤：4)、卸渣、整理