第五章沉降与过滤-制药工程原理与设备..ppt
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1、 第五章第五章沉降与过滤沉降与过滤重点重点:过滤和沉降的基本理论、基本方程:过滤和沉降的基本理论、基本方程难点难点:过滤基本方程的应用、过滤设备:过滤基本方程的应用、过滤设备p均均相相物物系系(honogeneous system):均均相相混混合合物物。物物系系内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。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:自然界的混合物分为两大类:p非非均均相相物物系系(non-honogeneous system):非非均均相相混混合合物物。物物系系内内部部有有隔隔开开不不同同相相的的界界面面存存在在,且且界界面面两两
2、侧侧的的物物料料性性质质有有显显著著差差异异。如如:悬悬浮浮液液、乳乳浊浊液液、泡泡沫沫液液属属于于液液态态非非均均相相物物系系,含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。概述概述混合物混合物均相混合物: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;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,可以用机械的方相,可以用机械的方 法分离。相界面两侧的物质性质不法分离。相界面两侧的物质性质不同。同。固体固体固体:固体混合固体:固体混合固体固体液
3、体:悬浮液液体:悬浮液 固体固体气体:含尘气体气体:含尘气体 液体液体气体:含雾气体气体:含雾气体液体液体液体:乳浊液液体:乳浊液非均相混合物非均相混合物p分散相分散相:分散物质。在非均相物系中,处于分散状分散物质。在非均相物系中,处于分散状态的物质。态的物质。p连续相连续相:分散介质。包围着分散物质而处于连续状分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。态的流体。非均相物系由非均相物系由分散相分散相和和连续相连续相组成组成p非均相物系的分离原理非均相物系的分离原理:根据两相物理性质根据两相物理性质(如密度等如密度等)的不同而进行的分离。的不同而进行的分离。p非均相物系的分离方法非均相物系的
4、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,由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大,因此常采用因此常采用机械方法机械方法进行分离。按两相运动方式的不进行分离。按两相运动方式的不同,机械分离大致分为同,机械分离大致分为沉降和过滤沉降和过滤两种操作。两种操作。p 定义:定义:p沉降力场:沉降力场:重力重力、离心力离心力。在某种力场的作用下,利用在某种力场的作用下,利用分散物质分散物质与与分散介质分散介质的的密度差异密度差异,使之发生相对运动而分离的单元操作。,使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类:沉降操作分类:重力沉降重力沉降、离心沉降离心沉降。第一节第一节沉降沉降
5、Settling图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反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种作用力通常称为曳力(drag force)drag force)或阻力。或阻力。只要颗粒与流体之间有相只要颗粒与流体之间有相对运动,就会产生阻力。对运动,就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体,对于一定的颗粒和流体,只要相对运动速度相同,流只要相对运动速度相同
6、,流体对颗粒的阻力就一样。体对颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力 流体密度;流体密度;流体粘度;流体粘度;d dp p颗粒的当量直径;颗粒的当量直径;A A 颗粒在运动方向上的投影面积;颗粒在运动方向上的投影面积;u u 颗粒与流体相对运动速度。颗粒与流体相对运动速度。阻力系数,是雷诺数阻力系数,是雷诺数ReRe的函数,由实验确定。的函数,由实验确定。颗粒所受的阻力颗粒所受的阻力Fd可用可用下式计算下式计算层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区 层流区层流区(斯托克斯(斯托克斯StokesStokes区,区,Re1Re1)注意:其中斯托克斯区的计算式是准确的,其它两个区域
7、的注意: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。计算式是近似的。过渡区过渡区(艾仑(艾仑AllenAllen区,区,11Re500Re500)湍流区湍流区(牛顿(牛顿NewtonNewton区,区,500Re10500Re105 5)图中曲线大致可分为三个区域,各区域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:的曲线可分别用不同的计算式表示为:自由沉降自由沉降(free settling):单个颗粒在流体中沉降,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
8、。碰撞的条件下沉降。二二、重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降(gravity settling):由地由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程,称球引力作用而发生的颗粒沉降过程,称为重力沉降为重力沉降。1 1 沉降速度沉降速度1.1 1.1 球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降根据牛顿第二定律,颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律,颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb p p为颗粒密度为颗粒密度 随着颗粒向下沉降,随着颗粒向下沉降,u逐渐增大,逐渐增大,du/d 逐渐减少。逐渐减少。当当u增到一定数值增到一定数值ui时,时,du/d =0。颗粒开始
9、作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。上式表明:上式表明:颗粒的沉降过程分为两个阶段:颗粒的沉降过程分为两个阶段:沉降速度沉降速度(terminal velocity):也称为终端速度,匀速阶段颗也称为终端速度,匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。粒相对于流体的运动速度。当当du/d =0时,令时,令u=ut,则可得沉降速度计算式则可得沉降速度计算式加速阶段;加速阶段;匀速阶段。匀速阶段。将不同流动区域的阻力系数分别代入上式,得将不同流动区域的阻力系数分别代入上式,得球形颗粒在球形颗粒在各各区相应的沉降速度分别为:区相应的沉降速度分别为:层流区(层流区(Re1)过渡区(过渡区(11Re500R
10、e500)湍流区(湍流区(500500Re10Re105 5)u ut t与与d dp p有关。有关。d dp p愈大,愈大,u ut t则愈大。则愈大。层流区与过渡区中,层流区与过渡区中,u ut t还与流体粘度有关。还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的液体粘度约为气体粘度的5050倍,故颗粒在液体中的沉降速倍,故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。度比在气体中的小很多。1.1.假设流体流动类型;假设流体流动类型;2.2.计算沉降速度;计算沉降速度;3.3.计算计算ReRe,验证与假设是否相符;验证与假设是否相符;4.4.如果不相符,则转如果不相符,则转。如果相符,。如果相符,OK
11、!OK!求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法:沉降速度的求法:例:计算直径为例:计算直径为9595 m m,密度为密度为30003000kg/mkg/m3 3的固体颗粒的固体颗粒分别在分别在20 20 的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。计算计算Re,核算流型:核算流型:假设正确,计算有效。假设正确,计算有效。解:在解:在20 20 的水中:的水中:20 20 水的密度为水的密度为998.2998.2kg/mkg/m3 3,粘度为粘度为1.005101.00510-3-3 PaPa s s先设为层流区。先设为层流区。1)1)颗粒直径颗粒直径d
12、dp p:应用:应用:啤酒生产,采用絮状酵母,啤酒生产,采用絮状酵母,dpu ut t,使啤酒易于分离和澄清。使啤酒易于分离和澄清。均质乳化,均质乳化,dput,使饮料不易分层。使饮料不易分层。加絮凝剂,如水中加明矾。加絮凝剂,如水中加明矾。2)2)连续相的粘度连续相的粘度:应用:应用:加酶:清饮料中添加果胶酶,使加酶:清饮料中添加果胶酶,使 ut,易于分离。易于分离。增稠:浓饮料中添加增稠剂,使增稠:浓饮料中添加增稠剂,使 ut,不易分层。不易分层。加热:加热:2 2 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(以层流区为例以层流区为例)4)颗粒形状颗粒形状在实际沉降中:在实际沉降中:非球形颗粒的
13、形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度 s 来描述。来描述。s 球形度;球形度;S 颗粒的表面积,颗粒的表面积,m2;Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积,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不同球形度下阻力系数与ReRe的关系见课本图示,的关系见课本图示,ReRe中的中的d dp p用当量直径用当量直径d de e代替。代替。球形度球形度 s s越小,阻力系数越小,阻力系数 越大,但在层流区不明显。越大,但在层流区不明显。u ut t非球非球 u ut t球球 。对于细微颗粒对于细微颗粒(d d0.575 m以上颗粒以上颗粒-用于除去用于除去510 m 颗粒颗粒 降尘室
14、:利用重力沉降分离含尘气体中尘粒的设备,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。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的示意图降尘室降尘室假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同;相同;停留时间停留时间Tl/u沉降时间沉降时间TtH/ut颗粒分离出来的条件是颗粒分离出来的条件是 l/uH/utlHb净化气体净化气体含尘气体含尘气体uut降尘室的计算降尘室的计算增稠器(沉降槽)请点击观看动画请点击观看动画结构:结构:除尘原理:除尘原理:用于
15、分离出液用于分离出液-固混合物固混合物与降尘室一样,与降尘室一样,沉降槽的生产能沉降槽的生产能力是由截面积来力是由截面积来保证的,与其高保证的,与其高度无关。故沉降度无关。故沉降槽多为扁平状。槽多为扁平状。与降尘室相同与降尘室相同第二节第二节离心沉降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:离心沉降:依靠惯性离心力的作用而实现的依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程沉降过程 适于分离两相密度差较小,颗粒粒度较细的非均适于分离两相密度差较小,颗粒粒度较细的非
16、均相物系。相物系。重力场重力场离心力场离心力场力场强度力场强度重力加速度重力加速度g gu uT T2 2/R/R 方向方向指向地心指向地心 沿旋转半径从中心指向外周沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg 作用力作用力 惯性离心力场与重力场的区别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一、离心力作用下的沉降速度r r1 1r r2 2A Ar rC CB Bu ur ru uu ut t颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动当当一一个个球球形形颗颗粒粒绕绕中中心心轴轴作作圆圆周周运运动动时,就产生惯性离心力。时,就产生惯性离心力。如如图图:球球体体直直径径为为d d,切切向向
17、运运动动速速度度为为u ut t,球球体体距距中中心心o o点点的的距距离离为为r r,球球形形颗粒颗粒s,流体,流体。则颗则颗粒在粒在图图示位置受三个力作用示位置受三个力作用达平衡时,颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心达平衡时,颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速度沉降速度u ur r惯性离心力向心力惯性离心力向心力=阻力阻力颗粒在离心力场中沉降时,在径向沉降方向上受力分析。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,则有若这三个力达到平衡,则有u离心力离心力 Fc阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb颗粒在离心力场中的受力分析颗粒在离心力场中的受力分析2 2
18、 离心沉降速度离心沉降速度离心沉降速度: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,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,离心沉降速度为离心沉降速度为:与重力沉降比较与重力沉降比较KcKc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。场强度之比,无因次,是离心分离设备的重要性能参数。注意:注意:离心沉降与重力沉降的类比。离心
19、沉降与重力沉降的类比。比较比较u ur r,u ut t:U Ur r:是颗粒绝对运动速度在径向上的分量,方向沿径向向外,:是颗粒绝对运动速度在径向上的分量,方向沿径向向外,随随r r方向及大小而变化,不是恒值。由于颗粒和流体同时做圆方向及大小而变化,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。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。分量。u ut t:恒值,方向向下:恒值,方向向下旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋风分离器
20、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旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒 重力沉降重力沉降 离心沉降离心沉降 降尘室用于分离气体中的固体颗粒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。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;其结构简单,制造方便;分离效率高;分离效率高;可用于高温含尘气体的分离;可用于高温含尘气体的分离;特点:特点:结构:结构:外圆筒;外圆筒;内圆筒;内圆筒;锥形筒。锥形筒。3 3 旋风分离器旋风分离器(cyclone separator)cyc
21、lone separator)含尘气体从圆筒上部长方形切线含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为进口进入。入口气速约为1520m/s。含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。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,颗粒的离心力较大,被甩向外层,气流在内层。气固得以分离。气流在内层。气固得以分离。在圆锥部分,旋转半径缩小而切在圆锥部分,旋转半径缩小而切向速度增大,气流与颗粒作下螺旋向速度增大,气流与颗粒作下螺旋运动。运动。在圆锥的底部附近,气流转为上在圆锥的底部附近,气流转为上升旋转运动,最后由上部出口管排升旋转运动,最后由上部出口管排出;出;固相沿内壁落入灰斗。固相沿内壁
22、落入灰斗。外圆筒外圆筒内圆筒内圆筒锥形筒锥形筒切向入口切向入口关风器关风器(防止空气进入防止空气进入)含尘气体含尘气体固相固相净化气体净化气体外螺旋外螺旋内螺旋内螺旋工作过程工作过程标准旋风分离器的尺寸标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui双联双联四联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离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。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。及密度不同的颗粒进行分级。结构和工作原理:结构和工作原理:与旋风分离器相似。与
23、旋风分离器相似。4 4 旋液分离器旋液分离器(hydraulic cyclone)hydraulic cyclone)l悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内,旋转向下流动。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:工作过程:l液流中的颗粒受离心力作用,沉降到器壁,并随液流下降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。到锥形底的出口,成为较稠的悬浮液而排出,称为底流。l澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体,则形成向上的内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。旋流,经上
24、部中心管从顶部溢流管排出,称为溢流。5 5 沉降式离心机沉降式离心机 沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。的机械。5.1 5.1 管式离心机(管式离心机(tubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifuge)转鼓由转轴带动旋转。转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入,在转鼓乳浊液由底部进入,在转鼓内从下向上流动过程中,由内从下向上流动过程中,由于两种液体的密度不同而分于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重成内、外两液层。外层为重液层,内层为轻液层。到达液层,内层为轻液层。到达
25、顶部后,轻液与重液分别从顶部后,轻液与重液分别从各自的溢流口排出。各自的溢流口排出。分离乳浊液的碟式离心机分离乳浊液的碟式离心机:碟片上开有小孔。乳浊液通碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下,重液沿着每离心力作用下,重液沿着每个碟片的斜面沉降,并向转个碟片的斜面沉降,并向转鼓内壁移动,由重液出口连鼓内壁移动,由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动,汇集后片的斜面向上移动,汇集后由轻液出口排出。由轻液出口排出。主要分离乳浊液中轻、重两液相,例如油类脱水、牛乳脱主要分离乳浊液中轻、重两液相,例如油类脱水、牛乳脱脂
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