固液分离设备

第五章固液分离设备概述混合物分为均相混合物和非均相混合物。非均相混合物的内部存在两种以上的相态。其中固体颗粒、微滴称为分散相或分散物质；而气体、液体称为连续相或分散介质。非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。两种操作方式：沉降和过滤（1）沉降分离颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。分为重力沉降、离心沉降。（2）过滤流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。第一节沉降分离前言固体颗粒在重力场离心力场中因场效应而沉降。在制药生产中，两种形式都存在，如中药提取液的离心分离和静置沉淀。沉降分离是不彻底的分离。互不相溶重液与轻液适用沉降分离法。一、颗粒沉降过程一受力分析颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力F、浮力Fb、、曳力Fd。对于一定的颗粒和流体，重力F、浮力Fb一定，但曳力Fd却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零。二球形颗粒的自由沉降速度自由沉降：颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁影响的沉降。干扰沉降：固体颗粒在沉降过程中，因颗粒之间的相互影响而使颗粒不能正常沉降的过程。0bdFFFF续上球形颗粒在静止流体中沉降时，颗粒受到的作用力有重力、浮力和阻力当合力为零时，颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，又称为“终端速度。终端速度计算式：其中是颗粒沉降时的阻力系数。并且是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数Re的函数。与Re的关系可由实验测定，球形颗粒（φs=1）的沉降速度曲线分为三个区域，即：43stgdu（续上）（1）（10-4Ret≤2）（2）（2Ret103）（3）（103≤Ret2×105）对应各区的沉降速度ut的计算式为：（1）滞流区(2)过渡区（3）湍流区24eR滞流区0.6e18.5过渡区=R湍流区=0.44218szdgu0.60.27segdRu1.74stdgu受力分析颗粒受力分析及图表三影响重力沉降的因素1.颗粒形状同一性质的固体颗粒，非球形颗粒的沉降阻力比球形颗粒的大的多，因此其沉降速度较球形颗粒的要小一些。2.干扰沉降当颗粒的体积浓度0.2%时，干扰沉降不容忽视。3.器壁效应当容器较小时，容器的壁面和底面均能增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低。二、重力沉降设备一沉降室籍重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。1.2.3.沉降分离满足的基本条件为4.降尘室的生产能力为5.多层降尘室的生产能力为gltu气体停流时间kth颗粒沉降时间t=ugktttbluS生产能力V1StVnblu多层降沉室生产力（）二沉降槽籍重力沉降从悬浮液中分离出固体颗粒的设备称为沉降槽。如用于低浓度悬浮液分离时亦称为澄清器；用于中等浓度悬浮液的浓缩时，常称为浓缩器或增稠器。沉降槽适于处理颗粒不太小、浓度不太高，但处理量较大的悬浮液的分离。这种设备具有结构简单，可连续操作且增稠物浓度较均匀的优点，缺点是设备庞大，占地面积大、分离效率较低。三、离心沉降设备一原理1.离心沉降速度颗粒在离心场中受到离心力、向心力、阻力，重力可忽略不计。其切向速度ut，离心沉降速度计算式可推导为：在层流区符合斯托克斯定律，即：R——颗粒的旋转半径,单位是m。243sstrduuR离心沉降速度2218sstrduuR层流区沉降速度2.离心分离因数离心加速度与重力加速度之比称为离心分离因数，用Kc表示。2tuR2tCCCru因离心加速度所以k=Rgk是离心分离的重要指标，是衡量离心机的分离能力大小的重要参数，k数值越大，则离心机分离能力越强。说明：因颗粒沉降速度u与其密度相关，所以不同的颗粒在同一离心场中具有相同加速度，但其沉降速度不同，可以进行分离。这就是离心机的工作原理。二、制药企业常用的离心分离设备一旋风分离器1.旋风分离器的结构和原理标准旋风分离器的主体上部为圆筒形，下部为圆锥形，各部件的尺寸均与圆筒直径成比例。含尘气体沿切向进入圆筒，沿壁高速旋转向下流动产生强大离心力，将颗粒甩向器壁，脱尘后的气体由底部在圆筒中心区向上流出。2.性能指标①临界粒径dc旋风分离器能够分离出的最小颗粒直径称为临界粒径。390.5/CesieRdNuNkgmeis临界直径其中B?—旋风分离器进口宽度；N?—旋风分离器气流旋转圈数，一般取—3.0，标准旋风分离器取3--5；u?—进口气体速度,m/s；?—气体黏度，PaS；?—固体密度，②分离效率η分离效率有总效率和粒级效率。12012121100%100%iiiCCCCCCC31p1i2i3总效率式中C、——进、出口气体含尘浓度，g/m。粒级效率是指对指定直径的颗粒分离的百分数。即：式中C、C——进、出口气体中粒径在第i段范围内的颗粒浓度，g/m。③压降Δpf气体流经旋风分离器的压降是由气体流经器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗的能量。222ifiupu压强降式中为阻力系数，是气体进口速度。8.0标准旋风分离器二沉降离心机1.碟片式离心机①结构：转轴、转鼓、倒锥形碟片②工作原理：密度大的重液沿碟片向下流动，密度小的轻液向上流动，重液、轻液分离后沿各自的流道排出。③分离因数为4000——10000，转速4000——7000r/min，适合于液—液两相高度分散的乳浊液的分离。２.高速管式离心机①结构：管状转鼓外壳②工作原理：高速旋转产生强大的离心力是颗粒沉积到管壁，轻相沿管中心向上排出，重相沿管壁向上排出。③特点：转速高，分离因数高达15000——65000。适用于固含量低于1%，颗粒度小于5微米，黏度大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小的分离。第二节过滤分离前言：制药生产中有多种过滤过程，如中药提取液中有效成分与多糖及其他无效成分的分离，发酵液的预处理，液体制剂去除热源等单元操作都是过滤过程。按照过滤的原理不同可以分为滤饼过滤和深层过滤两种方。滤饼过滤：固体堆积在滤材上并架桥形成滤饼层的过滤方式。、深层过滤：指颗粒沉积在床层内部的孔道壁上而并不形成滤饼的过滤方式。一、过滤基本方程式一基本概念1.过滤介质使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼的材料。要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。工业常用的过滤介质：织物介质、多孔性固体、粒状介质。2.滤饼的压缩性及助滤剂（1）滤饼的压缩性：受里不变形的颗粒形成的滤饼称不可压缩性滤饼，反之则称为可压缩性滤饼。发酵液悬浮颗粒属于可压缩性颗粒。（2）助滤剂：减小过滤阻力、提高滤饼的刚性和孔隙率的惰性材料。（续上）（3）过滤推动力|过滤介质两侧的压力差。（4）过滤速率：单位时间内通过的滤液体积。3.过滤方式分类：常压过滤、加压过滤、减压过滤、离心过滤。二过滤基本方程式1.过滤基本方程式过滤基本方程式表示过滤过程中某一瞬间的过滤速率与各有关因素的相互关系。对于不可压缩性滤饼有如下计算式：2edVApdtrVV33e过滤基本方程式式中V滤液体积m；V过滤介质的当量体积或称虚拟体积m；滤饼体积与滤液体积之比；r滤饼比阻；粘度。2.恒压过滤基本方程式恒压过滤：是指过滤操作的总压差恒定。特点是随着过滤时间的延长，滤饼厚度增大，过滤阻力增加，过滤速率降低。根据过滤基本方程式可推导出其计算式：式中k是过滤常数，t是过滤时间。3.过滤常数k的测定：过滤常数一般在恒压条件下测定。在已知过滤面积的过滤设备上，用待测悬浮液在恒压条件下实验测定。22222eeeVVVkAtqqqktVA32e式中：qq是单位面积上得到的滤液量，m/m。21eqtqqkk二、过滤机械一板框压滤机1.结构：具凹凸沟槽的滤板、滤框、压紧装置。2.操作过程：装和、过滤、洗涤、卸渣和整理。3.生产能力：3600VTVT3板框压滤机的生产能力Q其中　是一个操作周期内所获得的滤液体积m是一个操作周期总时间，单位s.二三足离心机制药生产中广泛使用三足过滤离心机。1.原理：转鼓内壁开有小孔，并在其上覆盖滤布，滤液穿过滤布而滤渣残留在转鼓中，当滤渣积累到一定两后停机，从上或下卸出。2.操作注意事项：启动前要盖紧盖子，完全停止运转后才能卸渣。三转筒真空过滤机1.结构：滤浆槽、蓝式转鼓、分配头、刮刀。2.原理：转鼓外壁覆盖有金属丝网，网上覆盖有滤布等过滤介质。转鼓内部区域分了18个独立的扇形区，各有不同的操作功能。过滤区：真空抽气装置把液体吸进转鼓，滤饼留在滤布上。吸干区：吸干滤布上的液体。洗涤区：洗涤滤布上的滤饼。吹松区：鼓风把滤饼从滤布上吹松，利于刮刀刮落。滤布复原区：压缩空气或蒸汽吹吸干净滤布。3.适用范围：颗粒不太细粘性不太大的液体。不使用于高温液体。