非均相分离课件

第六章非均相分离第六章非均相分离1第一节概述第一节概述21、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的界面。2、均相：凡物系内部各处物料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非均相混合物或非均相物系。非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。4、非均相物系的分离：通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和过滤。概念1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀3第一类是均相物系—如混合气体、溶液；特征：物系内各处性质相同，无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。第二类是非均相体系—液态非均相物系：固体颗粒与液体构成的悬浮液；不互溶液体构成的乳浊液；气态非均相物系：固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）；气泡与液体所组成的泡沫液等。特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒。（2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。连续相若为液体，则为液相非均相物系

常遇到的混合物可分为两大类第一类是均相物系—如混合气体、溶液；常遇到的混合物可分为两大4混

合

物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固烟道气气泡—液体气—液雾滴—气体液—固泥水、硫铵+母液液—液牛奶、油—水固—固煤矸石、金属矿混

合

物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固51、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒回收利用。2、净化分散介质，如除去含尘气体中的尘粒；合成氨生产，半水煤气中含有、灰尘等杂质，为了防止合成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。3、劳动保护和环境卫生等；对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。

非均相物系分离的目的1、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；如从催化反应器出来的61）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。

常用分离方法1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。常用分7第二节物料的性质一、固体颗粒特性固体颗粒通常是小于毫米级的固体粒子，其特性主要包括比表面积、孔隙度、颗粒形状、颗粒尺寸、粒度分布、密度。1.比表面积是单位质量多孔颗粒所具有的表面积2.孔隙度是颗粒之间的空隙体积与其表观体积之比3.流动性没有团聚效应，孔隙度稳定，表观有明显的流动性第二节物料的性质一、固体颗粒特性84.颗粒形状晶体类的物料，形成均一的颗粒，如立方体或菱形状，大多数是不规则形状5.颗粒尺寸—粒径及粒度分布①粒径定义当量球径：与颗粒本身特性（包括体积、投影面积和沉降速度等）成等值的当量球体所具有的直径；当量圆径：与颗粒的轮廓投影成等值的当量圆所具有的直径；统计直径：对颗粒图像按一定的平行测得（用显微镜）的线性尺寸

4.颗粒形状9粒度分布的代表性曲线②粒度分布L-对数标准分布；R-罗逊拉姆勒分布；N-标准分布粒度分布的代表性曲线②粒度分布L-对数标准分布；106.颗粒密度从一般手册中查得7.黏性（黏附）①分子力---分子间的吸引力（几个分子直径内）②毛细管黏附力（粒径大，毛细管粘附力大）③静电力（与毛细管力不同时存在）8.电性6.颗粒密度11二、液体的特性1.密度升高液体的温度，可以使液体密度下降2.黏度：指液体分子间在外力作用下相对摩擦的摩擦阻力的大小温度越高，液体黏度越小，有利于提高过滤3.表面张力：通过液体表面上的任一单位长度，并与之相切的表面紧缩力4.挥发度真空过滤的影响二、液体的特性1.密度升高液体的温度，可以使液体密度下降12三、悬浮液的特性1.密度2.黏度3.固含量

g/mLg/L4.

电动现象及ζ电位ζ电位影响颗粒间的团聚长大，过滤介质的堵塞性能三、悬浮液的特性1.密度13第三节过滤过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。

第三节过滤过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮14一、过滤方式（1）深层过滤——又称澄清过滤。条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积

0.1%）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于dp

介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。

悬浮液过滤介质滤液一、过滤方式悬浮液过滤介质滤液15（2）滤饼过滤条件：dp

介质孔隙直径，床层上形成滤饼；dp

介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”；在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积

0.1%）时

（2）滤饼过滤16架桥现象

过滤示意图架桥现象 过滤示意图17作用——使液体通过而截留固体颗粒。选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p，T，介质机械强度等（1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留5-65

m的颗粒。（2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤，（3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留1-3

m的微细颗粒。

二、过滤介质作用——使液体通过而截留固体颗粒。

二、过滤介质18三、助滤剂使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。作用——将某种质地坚硬的固体混入悬浮液中或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使滤液畅流。这种固体称助滤剂。常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；添加量为颗粒量的0.5%以下。

三、助滤剂使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；所形19四、过滤速度

1.过滤速度与过滤速率单位时间内通过单位过滤面积滤液的体积称为过滤速度，即：u=V/Atm３/m２式中：A——过滤面积，m２；t——过滤时间，s；V——时间t内流出的滤液体积，m３单位时间内获得的滤液体积称为过滤速率，表示过滤设备的生产能力。过滤速率Q=V/t=u·A其单位m３/h及L/min表示。

四、过滤速度1.过滤速度与过滤速率202.影响过滤速度的因素①滤浆的粘度粘度越大，过滤阻力越大，过滤速度越小；②滤饼厚度滤饼厚度越大，阻力越大，过滤速度越小。当厚度达到一定程度会使过滤终止；③滤饼性质不可压缩滤饼的颗粒坚硬，滤液通过的流道不会因压力的增大而变小，阻力基本保持不变，或随过滤时间的持续阻力增加很慢，过滤速度基本随压力的升高按比例增大；小颗粒在较大压力作用下会堵塞孔道，故过滤初期压力不能太大，避免流道过早地堵塞。2.影响过滤速度的因素21五、过滤操作的方式1.恒压过滤过滤操作是在恒定的压差下进行，称为恒压过滤。恒压过滤是最常用的过滤方式，过滤过程中，随着饼层的不断增厚，阻力增加大，因压差不变，过滤速度将逐渐降低。2.恒速过滤过滤操作在恒定的速度下进行，称为恒速过滤。随着过滤时间的持续，饼层厚度增加，阻力增大，过滤压差随时间的持续呈直线增长。过滤设备的耐压能力有限，压力不能太高。对可压缩滤饼，压力的过度升高并不能使速度提高，相反会造成过滤终止。五、过滤操作的方式1.恒压过滤223.先恒速后恒压过滤这种过滤方式是开始先以较低的速度进行恒速过滤，以免压力过早升高形成流道堵塞，当压力升高到给定值后再采用恒压过滤。如图，采用定量泵，过滤初期保持恒定速度，随着时间的持续，泵出口压力升高，若此压力升至能使支路阀自动开启的设定值时，支路打开，部分滤浆返回泵入口，进入压滤机的滤浆减少，压滤机入口压力维持恒定，由此开始恒压过滤。1.定量泵；2.支路阀；3.压滤机3.先恒速后恒压过滤231.板框过滤机五、过滤设备1.板框过滤机五、过滤设备24板框过滤机板框过滤机25板框过滤机板框过滤机26袋滤器袋滤器27转筒真空过滤机转筒真空过滤机28加压叶滤机加压叶滤机29第四节沉降分离

沉降分离作为固液分离的一种常用方法，在制药生产中一直被广泛采用，这种分离过程的必要前提是悬浮液中的固体颗粒和液体之间有密度差。按照受力的性质，沉降分为重力沉降与离心沉降。第四节沉降分离沉降分离作为固液分离的一种常用30一、重力沉降

自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。1．加速阶段——沉降开始时，颗粒初速度为零，颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零，产生加速度。2．匀速阶段——随着速度加快，阻力增加，当合力为零时，颗粒将发生匀速运动，匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度ut.

1.球形颗粒的自由沉降

一、重力沉降

自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者31重力：浮力：阻力：整理后得：

在du/dt=0，u=ut

由牛顿第二定理F=ma

Fg-Fb-Fd=mdu/dt

FbFdFg重力：整理后得：在du/dt=0，u=ut由牛顿第二定理32球形颗粒的自由沉降

=

（Re），将不同的

带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式：

层流区：Re

2，过渡区：Re=2—500，湍流区：Re=500--2

105，可见： ut=f（dp，

p，

），dp，

p↑，ut↑

↑，ut↓（层流区，过渡区）

球形颗粒的自由沉降=（Re），将不同的带入ut，可得各33球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。影响沉降速度ut的因素：1〉颗粒形状，偏离球形越大，阻力越大；通过沉降速度计算公式来求出当量球径;2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%.3〉壁面效应，沉降速度较自由沉降速度小；4〉分子运动，d<2-3µm5〉液滴和气泡的变形6〉其它，如颗粒

p不均匀。球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。342.气体降尘设备用于分离大颗粒尘

LHWutuVs在降尘室中，颗粒停留时间=L/u沉降时间=H/ut,分离条件——L/u≥H/ut由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子，其停留时间=沉降时间，即可以100%除去的最小粒径——临界粒径dpc

与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度（又称表面负荷qo）当尘粒沉降速度处于层流区时，表明：1、大于dpc的尘粒能100%除去；2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。

2.气体降尘设备用于分离大颗粒尘LHWutuVs在降尘室中35重力沉降设备

重力沉降设备36非均相分离课件37非均相分离课件383.悬浮液的沉聚过程

悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。3.悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉39悬浮液的沉聚过程间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够时间后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。连续式：（沉降槽的直径几米至几百米）。底流：排出的稠浆称为底流。

悬浮液的沉聚过程间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够40非均相分离课件411.离心分离因数

依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。重力下小颗粒的沉降速度小，利用离心力使颗粒的沉降速度加快。

悬浮液旋转轴角速度

圆筒旋转时角速度

=2

N/60N—转数/min忽略重力时，离心力Fc=ma=mr

2≌mrN2/100

可见，N↑，Fc↑

离心分离因数Kc=r

2/g≌rN2/900

离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。二、离心沉降1.离心分离因数依靠离心力的作用，使流体中颗粒产422.离心沉降速度：

当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力：离心力浮力（指向中心）阻力（指向中心）在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0离心沉降速度2.离心沉降速度：当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力433.旋风分离器（1）构造与操作临界粒径——指能100%分离除去的最小颗粒粒径。推导临界粒径时的三个假设条件下：①进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数n=5，切向速度等于进口速度ui；②颗粒向壁沉降，必须穿约厚为b的气流层，方能到达壁面；（b为入口之宽度）③颗粒与气流的相对运动为滞流。3.旋风分离器（1）构造与操作44（2）分离效率η：

总效率C1，C2——进、出旋风分离器的气体含尘浓度，一般70%-90%（3）压强降△P——阻力系数，同一系列旋风分离器，值因具体尺寸大小而变。标准型旋风分离器＝8。（2）分离效率η：45非均相分离课件46非均相分离课件47三足式离心机三、其他分离设备三足式离心机三、其他分离设备48团球塔除尘器团球塔除尘器49文丘里除尘器文丘里除尘器50沉降过程的强化对气－固混合物系，应根据颗粒的粒径分布选择合适的分离设备。d>50

m重力沉降设备d>5

m离心沉降设备d<5

m电除尘、袋滤器、湿式除尘器对液－固混合物系，不仅要考虑颗粒粒径，还要考虑含固量的大小。d>50

m过滤离心机d<50

m压差过滤设备含固量<1%沉降槽、旋液分离机、沉降分离机含固量1%-10%板