《制药工程原理与设备》沉降与过滤.ppt
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1、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
2、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
3、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 settl
4、ing,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
5、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
6、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
7、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
8、,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
9、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
10、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、
11、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
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