第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备.

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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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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。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图流体绕过颗粒的流动uFdFd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。22uAFd)()(udRpe颗粒所受的阻力Fd可用下式计算层流区过渡区湍流区tRe/248.0Re/5.18t44.0tRe/248.0Re/5.18t44.0层流区（斯托克斯Stokes区，Re1）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，1Re500）湍流区（牛顿Newton区，500Re105）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：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ddumFFFdbg243)(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:u重力Fg阻力Fd浮力Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36p为颗粒密度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。3)(4pptgdu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。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（Re1）18)(2ppgdtupptdgu3122225)(4ppdgtu)(3过渡区（1Re500）湍流区（500Re105）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。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：例：计算直径为95m，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。smugdtpp/10797.9310005.11881.9)2.9983000()1098(18)(362计算Re，核算流型：19244.0Re33610005.12.99810797.91095udp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1.005×10-3Pas先设为层流区。18)(2ppgdtu1)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)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。pSSs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(d0.5m)，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：6)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。二、沉降设备液固体系沉降槽气固体系降尘室离心沉降设备重力沉降设备液固体系旋液分离器气固体系旋风分离器---用于除去75m以上颗粒---用于除去5～10m颗粒降尘室：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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降尘室的计算增稠器（沉降槽）加料清液溢流水平清液挡板耙稠浆连续式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【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μm15，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：36mkg1020,m1015μm15Ppd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：11096.310005.12.9981066.21015Re53660udP计算结果表明，与假设相符，故算得的160sm1066.2u正确。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=mg2TCuFmR作用力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:::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心沉降速度ur惯性离心力－向心力=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。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:22p()18pTrduuR24Re4(10Re1)2p()18ptdug与重力沉降比较2()urTctuKuRg重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。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)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标准旋风分离器的尺寸4/8/,2,22/,4/,2/2211DDDSDHDHDDDBDh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。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)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。5沉降式离心机沉降式离心机