《制药工程原理与设备》沉降与过滤.ppt

讲授人：史益强,Principles of Chemical Engineering,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第四章 沉降与过滤 settling and filtration,讲授人：史益强,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,均相物系和非均相物系,液体：互溶液体、悬浮液、泡沫液及乳浊液等,存在相界面,气体：全混气体、含尘气体、含雾气体等,分散相(分散物质),连续相(分散介质),概述,机械分离,非均相物系,分离目的：,回收分散物质,净化分散介质,环保要求,如液固分离、空气净化以及含尘气流中的药粉回收,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,重力沉降：在地球引力的作用下而发生的沉降分离过程。 1.球形颗粒的自由沉降 颗粒受力分析：,第一节 重力沉降gravity settling,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第一节 重力沉降gravity settling,Fg FbFd =ma,沉降速度（终端速度settling volucity）ut,颗粒沉降过程：,t=0，u = 0， Fd为零,a具有最大值,tuFda,u增大至ut时,a=0,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,2.阻力系数的确定,第一节 重力沉降gravity settling,颗粒的流动雷诺数,颗粒的球形度,与Re及 之间的关系,1) 层流区(10-4Re2) 斯托克斯区(Stokes),斯托克斯公式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第一节 重力沉降gravity settling,颗粒的与Re及之间的关系,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,2) 过渡区(2Re500) 艾伦区(Allen),第一节 重力沉降gravity settling,艾伦公式,3) 湍流区(500Re2105) 牛顿区(Newton),0.44,牛顿公式,=1,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,讨论： 1)沉降速度t越大，则两相越容易分离。 层流区沉降速度t与粘度成反比；与粒径的平方成正比。 湍流区时沉降速度t与粘度无关；与粒径的0.5次方成正比。 2)适用于气固、液固和气液体系。,第一节 重力沉降gravity settling,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,3. ut的计算试差法 过程：假定流型，dutRe判断流型。 若直径较小，则假设在层流区，utRe 检验Re值是否在层流区。若Re值超出，则重新假设流型及计算，直至Re值符合所假设的流型。 当颗粒的沉降速度为已知时，用试差法直径。,第一节 重力沉降gravity settling,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,二、降尘室,第一节 重力沉降gravity settling,沉降时间t：降尘室内最高点的颗粒沉降至室底所需的时间。,停留时间：气体通过降尘室的时间。,沉降条件：,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,气体通过降尘室的水平流速,第一节 重力沉降gravity settling,降尘室的生产能力 Vs含尘气体的体积流量,降尘室的生产能力与沉降面积bL和颗粒的沉降速度ut有关，与降尘室高度H无关。,高度 H,降尘室的宽度 b,降尘室的长度 L,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,多层降尘室,第一节 重力沉降gravity settling,1-隔板; 2-调节阀； 3-气体分配道； 4-气体聚集道； 5-气道； 6-清灰口,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,隔板间距为,第一节 重力沉降gravity settling,气体通过各层的水平流速为,生产能力,临界粒径dc：沉降时满足=t的条件的粒径，降尘室能完全除去的最小粒径。,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,离心沉降适用于两相密度差较小或颗粒直径较小的非均相物系的分离。 一、离心沉降速度和分离因数 沉降原理 惯性离心力= 向心力= 阻力=,第二节 离心沉降centrifugal settling,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,惯性离心力、向心力和阻力的合力为零时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur称为该颗粒在该位置处的离心沉降速度。 离心沉降速度ur不是颗粒运动的绝对速度u，方向向外。在一定条件下， ur则随颗粒的位置而变。,第二节 离心沉降centrifugal settling,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,离心沉降时，若颗粒与流体间的相对运动为层流，则 离心分离因数C separation factor ： 同一颗粒在同种流体中的离心沉降速度与重力沉降速度之比。5-2500,第二节 离心沉降centrifugal settling,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,二、离心分离设备 旋风分离器,第二节 离心沉降centrifugal settling,气固分离,旋液分离器,液固分离,5m,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤filtration 一、基本概念,过滤:以多孔材料为介质，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，从而实现固、液分离的操作。 目的是获得清净的液体或固体产品，作为沉降、结晶、固液反应等操作的后续过程。 过滤属于机械分离操作，其分离速度较快，能量消耗较低。,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,滤浆slurry (料浆)悬浮液,滤液filtrate,滤饼(滤渣) cake,过滤介质medium,过滤,操作推动力,重力,压强差,离心力,有无滤饼,饼层过滤,深层过滤,方式,第三节 过滤 一、基本概念,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,架桥现象,饼层过滤:起分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。适用于分离颗粒含量较高(固相体积分率1%)的悬浮液。,第三节 过滤 一、基本概念,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,深层过滤:对于颗粒较小且含量很低的悬浮液，可用较厚的粒状床层(固定床)作为过滤介质进行过滤。由于悬浮液中的颗粒尺寸小于过滤介质中的孔道直径，因此当颗粒随液体进入床层内细长而弯曲的孔道时，颗粒将被吸附于孔道壁面上，在过滤介质床层之上并不形成滤饼层的过滤。,第三节 过滤 一、基本概念,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,深床过滤,深层过滤时,真正起过滤作用的是过滤介质。 深层过滤适用于颗粒很小、含量很低(固相体积分率0.1%)且处理量较大的悬浮液的分离，如自来水的净化、污水处理、浑浊药液的澄清以及分子筛脱色等。,第三节 过滤 一、基本概念,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤介质：,特性：,多孔,流阻小,机械强度高,耐热、耐腐蚀,分类：,织物介质(滤布),多孔固体介质,粒状介质,织物介质包括由棉、毛、丝、麻和合成纤维制成的织物以及由玻璃丝、金属丝等织成的网,可截留颗粒的最小直径为5 65m。 粒状介质有砂、木炭、分子筛等细小而坚硬的颗粒状物质,一般堆积成固定床层,用于深层过滤。 多孔性固体介质有多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属等制成的管或板,可截留颗粒的最小直径为13m。,第三节 过滤 一、基本概念,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 一、基本概念,织物介质,粒状介质,多孔性固体介质,多孔膜,滤饼种类：,不可压缩滤饼：,当p时,(流阻/滤饼厚度)const,可压缩滤饼：,当p时,(流阻/滤饼厚度),助滤剂,用法：,常用：硅藻土、珍珠岩粉、纤维粉末、碳粉和石棉粉 使用量一般不超过固体颗粒质量的0.5。 一般以回收清净液体为目的的过滤，使用助滤剂是合适的。,防堵、减阻,预涂法,预混法,第三节 过滤 一、基本概念,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,空隙率,比表面积,床层的空隙率和颗粒的比表面积,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤速度u:单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积, ms-1 滤液通过滤饼的流动与流体在管内的流动相似,由于流动阻力很大,流速很低，因此滤液通过饼层的流动一般为层流。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤速率:单位时间内获得的滤液体积，m3s-1。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,滤饼阻力R：对于不可压缩滤饼，a及均可视为常数。令 代入,r滤饼的比阻,m-2,是单位厚度的滤饼所具有的阻力,其数值反映了颗粒形状、大小及床层空隙率对滤液流动的影响。R=rL滤饼的阻力,m-1 。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤介质阻力Rm:与其厚度及致密程度有关，一般为常数。滤液穿过过滤介质的速度关系式,Le虚拟滤饼厚度或当量滤饼厚度，即与过滤介质阻力相当的滤饼层厚度，m； Rm=rLe过滤介质的阻力，m-1。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,滤饼与过滤介质的面积相同， 两层中的过滤速度应相等。,滤饼与过滤介质两侧的总压强降（过滤总推动力）。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤的总推动力:总压强降，总阻力为两层的阻力之和。过滤时，若一侧处于大气压下，则过滤压强差即为另一侧表压的绝对值，故称为过滤的表压强。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤基本方程式 为获得1m3滤液所形成的滤饼体积，任一时间的滤饼厚度L与获得的滤液体积V之间的关系为,Ve过滤介质的虚拟滤液体积。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,由,不可压缩滤饼的过滤基本方程式 表示过滤过程中任一时间的过滤速率与各影响因素之间的关系。,及,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,可压缩滤饼的比阻与过滤压强差之间的关系,ro单位压强差下滤饼的比阻，m-2； s滤饼的压缩性指数，其值与滤饼的可压缩程度有关，无因次。s=01。 不可压缩滤饼 s=0。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,将 代入,过滤基本方程式,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,过滤操作方式:恒压过滤和恒速过滤。 先恒速后恒压的复合操作方式是在过滤开始时以较低的恒定速率操作，当表压升至设定数值后，再转入恒压操作。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,特点：,p不变,连续过滤机上进行的过滤都是恒压过滤，间歇过滤机上进行的过滤也常用恒压过滤。,第三节 过滤 二、过滤基本方程式,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 三、恒压过滤,对于特定的悬浮液，、ro及可视为常数。,则,k,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,恒压过滤方程,过滤时间,滤液体积,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,方程讨论：,过滤常数,同一滤浆,变化,可压缩:,不可压缩：,均变,变化；,不变,若过滤介质的阻力可以忽略，则qe=0，e=0。,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,例3-4 某悬浮液中固相的体积分率为15%，在9.81103Pa的恒定压强差下过滤时得不可压缩滤饼，其空隙率为0.6，滤饼的比阻为4109m-2。已知水的粘度为110-3Pas，过滤介质的阻力可以忽略，试计算：(1) 每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间；(2) 过滤时间延长一倍所增加的滤液量；(3) 在与(1)相同的过滤时间下，过滤压强差增大一倍时每平方米过滤面积上所获得的滤液量。,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,解：(1) 过滤时间 设每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液时的滤饼厚度为L，对滤饼、滤液及滤浆中的水分进行物料衡算得 滤液体积+滤饼中水的体积=料浆中水的体积 即 解得 L=0.9m,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,则每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为 由于是不可压缩滤饼，因此s=0， =8.17510-3m2s-1,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,（2）过滤时间延长一倍所增加的滤液量 过滤时间延长一倍，则 s m3m-2 m3m-2 即每平方米过滤面积上将再获得0.62m3的滤液。,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,（3）过滤压强差增大一倍所增加的滤液量 由 得 K=2K 所以 每平方米过滤面积上所获得的滤液量为2.12m3。,第三节 过滤 三、恒压过滤,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 四、过滤设备,过滤机:过滤悬浮液的设备。 操作方法 间歇式和连续式过滤机 过滤压强差 压滤、吸滤和离心过滤机。 板框压滤机和叶滤机为典型的间歇压滤机; 三足式离心机则是典型的间歇式离心型过滤机。 转筒真空过滤机是典型的连续式吸滤型过滤机。,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 四、过滤设备,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 四、过滤设备,wyl系列卧式密闭自动过滤机,自动液压920系列压滤机,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 四、过滤设备,加压叶滤机,间歇式,置换洗涤法,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 四、过滤设备,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,板框压滤机,间歇式,滤浆,过滤板 有侧孔,洗涤板 两边有侧孔,过滤板 有侧孔,排列次序：1-2-3-2-1-2,第三节 过滤 四、过滤设备,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,排列次序：1-2-3-2-1-2,板框结构：,第三节 过滤 四、过滤设备,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,板框压滤机,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,型号：,B M S 20/635-25,板框压滤机,明流式,(A暗流式),手动压紧,(Y液压压紧),框厚25mm,框内每边长635mm,过滤面积20m2,第三节 过滤 四、过滤设备,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,板框压滤机的板和框的边长为3201000mm，框厚为2550mm。板和框的数量可根据生产任务自行调节，一般为1060块，所提供的过滤面积为280m2。 板和框材料：铸铁、碳钢、不锈钢、铝、塑料等，操作压差为3l058l05Pa。 特点：结构简单，价格低廉，具有很强的适应能力，间歇操作，劳动强度大，生产能力低。,第三节 过滤 四、过滤设备,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,第三节 过滤 五、滤饼的洗涤,滤饼是由固体颗粒堆积而成的床层，其空隙中仍滞留一定量的滤液。为回收这些滤液或净化滤饼颗粒，需采用适当的洗涤液对滤饼进行洗涤。由于洗涤液中不含固体，因此滤饼厚度在洗涤过程中保持不变。若洗涤过程中的推动力保持恒定，则洗涤液的体积流量亦保持恒定。,制药工程原理与设备第四章 沉降与过滤,洗涤速率,单位时间消耗的洗水体积，m3/s,若洗涤液与滤液的粘度相近，洗涤推动力与过滤终了时的