非均相分离课件

第六章第六章 非均相分离非均相分离第六章 非均相分离1第一节第一节 概概 述述第一节 概 述21 1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质、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。相与相之间有的均匀物质。相与相之间有明确的界面明确的界面。2 2、均相：凡物系内部各处物料质均匀而不存在相界面者，称、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。为均相混合物或均相物系。3 3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧、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。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）。质（或连续相）。4 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、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。具体点讲机械方法操作。具体点讲机械方法:沉降和过滤。沉降和过滤。概概 念念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第一类是第一类是均相物系均相物系如混合气体、溶液；如混合气体、溶液；特特征征：物物系系内内各各处处性性质质相相同同，无无分分界界面面。须须用用吸吸收收、蒸蒸馏馏等方法分离。等方法分离。第二类是第二类是非均相体系非均相体系 液液态态非非均均相相物物系系：固固体体颗颗粒粒与与液液体体构构成成的的悬悬浮浮液液；不不互互溶溶液体构成的乳浊液；液体构成的乳浊液；气气态态非非均均相相物物系系：固固体体颗颗粒粒（或或液液体体雾雾滴滴）与与气气体体构构成成的的含尘气体（或含雾气体）；气泡与液体所组成的泡沫液等。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。特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。（1 1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒。）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒。（2 2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。）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混混合合物物均相均相气态气态空气、天然气空气、天然气液态液态乙醇乙醇水、石油水、石油非均相非均相气气固固烟道气烟道气气泡气泡液体液体气气液液雾滴雾滴气体气体液液固固泥水、硫铵泥水、硫铵+母液母液液液液液牛奶、油牛奶、油水水固固固固煤矸石、金属矿煤矸石、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 1、回收回收分散物质，如从母液中分离出分散物质，如从母液中分离出晶粒晶粒；如从催化反应器；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。颗粒回收利用。2 2、净化分散介质净化分散介质，如除去含尘气体中的尘粒；合成氨生产，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。须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。3 3、劳动保护和环境卫生等；对三废：废气、废液、废渣的处、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理，地球由于被污染加剧,环保越来越受到人们的重视。综上环保越来越受到人们的重视。综上所述所述,非均相物系分离的目的是非均相物系分离的目的是除害收益除害收益。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。护环境，节约能源及提高经济效益。非均相物系分离的目的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 1）重力沉降：微粒借本身的）重力沉降：微粒借本身的重力重力在介质中沉降而获得分离。在介质中沉降而获得分离。2 2）离离心心分分离离：利利用用微微粒粒所所受受离离心心力力的的作作用用将将其其从从介介质质中中分分离。亦称离心沉降。此法适用于离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒较细的微粒悬浮体系。悬浮体系。3 3）过过滤滤：使使悬悬浮浮体体系系通通过过过过滤滤介介质质，将将微微粒粒截截留留在在过过滤滤介介质上而获得分离。质上而获得分离。4 4）湿湿法法净净制制：使使气气相相中中含含有有的的微微粒粒与与水水充充分分接接触触而而将将微微粒粒除去。除去。5 5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内高压电场内沉降沉降。常用分离方法常用分离方法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第二节第二节 物料的性质物料的性质一、固体颗粒特性一、固体颗粒特性 固体颗粒通常是固体颗粒通常是小于毫米级小于毫米级的固体粒子，其特性主要的固体粒子，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、包括比表面积、孔隙度、颗粒形状、颗粒尺寸、粒度分布、密度。密度。1.1.比表面积比表面积 是单位质量多孔颗粒所具有的表面积是单位质量多孔颗粒所具有的表面积2.2.孔隙度孔隙度 是颗粒之间的空隙体积与其表观体积之比是颗粒之间的空隙体积与其表观体积之比3.3.流动性流动性 没有团聚效应，孔隙度稳定，表观有明显的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84.4.颗粒形状颗粒形状 晶体类的物料，形成均一的颗粒，如立方体或菱形状，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大多数是不规则形状5.5.颗粒尺寸颗粒尺寸粒径及粒度分布粒径及粒度分布 粒径定义粒径定义 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）成等值的速度等）成等值的当量球体当量球体所具有的直径；所具有的直径；当量圆径：与颗粒的当量圆径：与颗粒的轮廓投影轮廓投影成等值的当量圆所具有的直成等值的当量圆所具有的直径；径；统计直径：对颗粒统计直径：对颗粒图像按一定的平行图像按一定的平行测得（用显微镜）测得（用显微镜）的线性尺寸的线性尺寸 4.颗粒形状9粒度分布的代表性曲线粒度分布的代表性曲线 粒度分布粒度分布L-L-对数标准分布；对数标准分布；R-R-罗逊拉姆勒分布；罗逊拉姆勒分布；N-N-标准分布标准分布粒度分布的代表性曲线 粒度分布L-对数标准分布；106.6.颗粒密度颗粒密度 从一般手册中查得从一般手册中查得7.7.黏性（黏附）黏性（黏附）分子力分子力-分子间的吸引力（几个分子直径内）分子间的吸引力（几个分子直径内）毛细管黏附力（粒径大，毛细管粘附力大）毛细管黏附力（粒径大，毛细管粘附力大）静电力（与毛细管力不同时存在）静电力（与毛细管力不同时存在）8.8.电性电性6.颗粒密度11二、液体的特性二、液体的特性1.1.密度密度 升高液体的温度，可以使液体密度下降升高液体的温度，可以使液体密度下降2.2.黏度：指液体分子间在外力作用下相对摩擦的摩擦阻黏度：指液体分子间在外力作用下相对摩擦的摩擦阻力的大小力的大小 温度越高，液体黏度越小，有利于提高过滤温度越高，液体黏度越小，有利于提高过滤3.3.表面张力表面张力 ：通过液体表面上的任一单位长度，并与：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之相切的表面紧缩力4.4.挥发度挥发度 真空过滤的影响真空过滤的影响二、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、悬浮液的特性三、悬浮液的特性1.1.密度密度2.2.黏度黏度3.3.固含量固含量 g/mL g/L4.4.电动现象及电动现象及电位电位 电位影响颗粒间的团聚长大，过滤介质的堵塞性能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第三节第三节 过过 滤滤过滤过滤是以某种是以某种多孔物质多孔物质为介质来处理悬浮液为介质来处理悬浮液的操作的操作 在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质在外力的作用下，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、液的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。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、过滤方式一、过滤方式n（1 1）深层过滤）深层过滤又称澄清又称澄清过滤。过滤。n条件：悬浮液含颗粒小，而含条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（量少（液体中颗粒的体积液体中颗粒的体积 0.1%0.1%）时，可用床层较厚的）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于过滤介质进行过滤。由于dpdp 介质孔隙直径，当悬浮颗粒进介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时，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，过滤介质床层上面孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。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 2）滤饼过滤）滤饼过滤n条件：条件：dpdp 介质孔隙直径，介质孔隙直径，床层上形成滤饼；床层上形成滤饼；dpdp 介介质孔隙直径，但床层内有质孔隙直径，但床层内有“架桥现象架桥现象”；在滤饼层；在滤饼层没有完全形成之前，部分没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（适用于颗粒含量较多（液液体中颗粒的体积体中颗粒的体积 0.1%0.1%）时时（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作用作用使液体通过而截留固体颗粒。使液体通过而截留固体颗粒。选择选择根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p p，T T，介质机械强度等，介质机械强度等 （1 1）织布介质）织布介质棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留截留5-655-65 m m的颗粒。的颗粒。（2 2）堆积的粒状介质）堆积的粒状介质砂、木炭等，用于砂、木炭等，用于深层过滤深层过滤，（3 3）多孔性介质）多孔性介质陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留板状、管状介质，可截留1-31-3 m m的微细颗粒的微细颗粒。二、过滤介质二、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、三、助滤剂助滤剂n使用前提使用前提颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；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。大，使过滤困难。n作用作用将某种将某种质地坚硬的固体质地坚硬的固体混入悬浮液中或预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。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。这种固体称助滤剂。n常用助滤剂常用助滤剂硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；添加量为颗粒量的添加量为颗粒量的0.5%0.5%以下。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、过滤速度四、过滤速度n1.1.过滤速度与过滤速率过滤速度与过滤速率n单单位位时时间间内内通通过过单单位位过过滤滤面面积积滤滤液液的的体体积积称称为为过过滤滤速速度度，即即：u=V/At mu=V/At m/m/mn式中：式中：A A过滤面积，过滤面积，m m；n t t过滤时间，过滤时间，s s；n V V时间时间t t内流出的滤液体积，内流出的滤液体积，m mn单单位位时时间间内内获获得得的的滤滤液液体体积积称称为为过过滤滤速速率率，表表示示过过滤滤设设备备的的生生产产能力。能力。过滤速率过滤速率Q=V/t=uA Q=V/t=uA n其单位其单位m m/h/h及及L/minL/min表示。表示。四、过滤速度1.过滤速度与过滤速率20n2.2.影响过滤速度的因素影响过滤速度的因素n滤浆的粘度滤浆的粘度n粘度越大，过滤阻力越大，过滤速度越小；粘度越大，过滤阻力越大，过滤速度越小；n 滤饼厚度滤饼厚度n滤滤饼饼厚厚度度越越大大，阻阻力力越越大大，过过滤滤速速度度越越小小。当当厚厚度度达达到到一一定定程程度会使过滤终止；度会使过滤终止；n 滤饼性质滤饼性质n不不可可压压缩缩滤滤饼饼的的颗颗粒粒坚坚硬硬，滤滤液液通通过过的的流流道道不不会会因因压压力力的的增增大大而而变变小小，阻阻力力基基本本保保持持不不变变，或或随随过过滤滤时时间间的的持持续续阻阻力力增增加加很很慢，过滤速度基本随压力的升高按比例增大；慢，过滤速度基本随压力的升高按比例增大；n小小颗颗粒粒在在较较大大压压力力作作用用下下会会堵堵塞塞孔孔道道，故故过过滤滤初初期期压压力力不不能能太太大，避免流道过早地堵塞。大，避免流道过早地堵塞。2.影响过滤速度的因素21五、五、过滤操作的方式过滤操作的方式n1.1.恒压过滤恒压过滤n过过滤滤操操作作是是在在恒恒定定的的压压差差下下进进行行，称称为为恒恒压压过过滤滤。恒恒压压过过滤滤是是最最常常用用的的过过滤滤方方式式，过过滤滤过过程程中中，随随着着饼饼层层的的不不断断增增厚厚，阻阻力力增加大，因压差不变，增加大，因压差不变，过滤速度将逐渐降低过滤速度将逐渐降低。n2.2.恒速过滤恒速过滤n过过滤滤操操作作在在恒恒定定的的速速度度下下进进行行，称称为为恒恒速速过过滤滤。随随着着过过滤滤时时间间的的持持续续，饼饼层层厚厚度度增增加加，阻阻力力增增大大，过过滤滤压压差差随随时时间间的的持持续续呈呈直直线线增增长长。过过滤滤设设备备的的耐耐压压能能力力有有限限，压压力力不不能能太太高高。对对可可压压缩缩滤滤饼饼，压压力力的的过过度度升升高高并并不不能能使使速速度度提提高高，相相反反会会造造成成过过滤滤终止。终止。五、过滤操作的方式1.恒压过滤22n3.3.先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤n 这这种种过过滤滤方方式式是是开开始始先先以以较较低低的的速速度度进进行行恒恒速速过过滤滤，以以免免压压力力过过早早升升高高形形成成流流道道堵堵塞塞，当当压压力力升升高高到到给给定定值值后后再再采用恒压过滤。采用恒压过滤。如如图图，采采用用定定量量泵泵，过过滤滤初初期期保保持持恒恒定定速速度度，随随着着时时间间的的持持续续，泵泵出出口口压压力力升升高高，若若此此压压力力升升至至能能使使支支路路阀阀自自动动开开启启的的设设定定值值时时，支支路路打打开开，部部分分滤滤浆浆返返回回泵泵入入口口，进进入入压压滤滤机机的滤浆减少，压滤机入口压力维持恒定，由此开的滤浆减少，压滤机入口压力维持恒定，由此开 始恒压过滤。始恒压过滤。n1.1.定量泵；定量泵；2.2.支路阀；支路阀；n3.3.压滤机压滤机3.先恒速后恒压过滤231.板框过滤机板框过滤机五、过滤设备五、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第四节第四节 沉沉 降降 分分 离离 沉降分离作为固液分离的一种常用方法，在制药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是悬浮液中的固体颗粒和液体之间有密度差密度差。按照。按照受力的性质，沉降分为受力的性质，沉降分为重力沉降重力沉降与与离心沉降离心沉降。第四节 沉 降 分 离 沉降分离作为固液分离的一种常用30一、重力沉降一、重力沉降 自由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。地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。1 1加速阶段加速阶段 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。用，合力不为零，产生加速度。2 2匀速阶段匀速阶段 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沉降速度度u ut t.1.1.球形颗粒的自由沉降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：重力：浮力：浮力：阻力：阻力：整理后得：整理后得：在du/dt=0，u=ut 由牛顿第二定理由牛顿第二定理F=maF=ma F Fg g-F-Fb b-F-Fd d=mdu/dt=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球形颗粒的自由沉降=（ReRe），），将不同的将不同的 带入带入u ut t，可得各种流动状态下的，可得各种流动状态下的u ut t的计算的计算式：式：层流区：层流区：ReRe 2 2，过渡区：过渡区：Re=2500Re=2500，湍流区：湍流区：Re=500-2Re=500-2 10105 5，可见：可见：u ut t=f=f（d dp p，p p，），），d dp p，p p，u ut t ，u ut t（层流区，过渡区）（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球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。适合范围：光滑的球形颗粒。影响沉降速度影响沉降速度u ut t的因素：的因素：1 1颗粒形状，偏离球形颗粒形状，偏离球形越大，阻力越大；通过沉降越大，阻力越大；通过沉降速度计算公式来求出当量球径速度计算公式来求出当量球径;2 2颗粒浓度不太高颗粒浓度不太高0.2%0.2%，假设自由沉降，假设自由沉降1%.1%.3 3壁面效应，沉降速度较自由沉降速度小；壁面效应，沉降速度较自由沉降速度小；4 4分子运动，分子运动，d2-3md50 d50 m m 重力沉降设备重力沉降设备 d5 d5 m m 离心沉降设备离心沉降设备 d5 d50 d50 m m 过滤离心机过滤离心机 d50 d50 m m 压差过滤设备压差过滤设备 含固量含固量1%10%10%过滤离心机过滤离心机 含固量含固量50%50%真空过滤机真空过滤机 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51 第五节第五节 制药生产中的固液制药生产中的固液 分离应用分离应用 第五节 制药生产中的固液 52n一、中药的过滤分离一、中药的过滤分离n 中药浸取后的药液与药源（固体）的分离有以下特性：中药浸取后的药液与药源（固体）的分离有以下特性：n1.1.浸取液中含有动植物蛋白质、多糖等胶体与胶状体物浸取液中含有动植物蛋白质、多糖等胶体与胶状体物质质n2.2.药源固体所形成滤饼比阻较大，加大过滤压力，更易使药源固体所形成滤饼比阻较大，加大过滤压力，更易使滤饼比阻大大上升滤饼比阻大大上升n3.3.过滤后澄清的液体出现新的聚合大分子絮状物，影响药过滤后澄清的液体出现新的聚合大分子絮状物，影响药液的澄明度液的澄明度n4.4.用常规的方法在过滤介质选用上有一定难度用常规的方法在过滤介质选用上有一定难度n5.5.中药液主要采用重力沉降为主要的分离手段中药液主要采用重力沉降为主要的分离手段一、中药的过滤分离53二、发酵液的过滤分离二、发酵液的过滤分离 发酵液过滤是抗生素制品提取工艺中最重要的操发酵液过滤是抗生素制品提取工艺中最重要的操作环节，直接影响抗生素制品的收率、质量和劳动生作环节，直接影响抗生素制品的收率、质量和劳动生产率。产率。主要成分是蛋白质，其黏度和可压缩性很大。主要成分是蛋白质，其黏度和可压缩性很大。一般多采用板框压滤机、转鼓真空过滤机和折带一般多采用板框压滤机、转鼓真空过滤机和折带真空过滤机真空过滤机二、发酵液的过滤分离54三、活性炭与脱色后药液的过滤三、活性炭与脱色后药液的过滤n采用粉状活性炭进行脱色采用粉状活性炭进行脱色n以滤布为过滤介质，滤布孔径在以滤布为过滤介质，滤布孔径在1010mm以上以上n 过滤过程：经滤布过滤后第一次滤液，再进行二次或过滤过程：经滤布过滤后第一次滤液，再进行二次或多次复滤，其复滤介质多采用不再生的纤维黏结过滤管或多次复滤，其复滤介质多采用不再生的纤维黏结过滤管或折叠式微孔膜滤芯。折叠式微孔膜滤芯。三、活性炭与脱色后药液的过滤采用粉状活性炭进行脱色55四、药液除菌过滤四、药液除菌过滤n过滤介质主要是石棉滤板、微孔膜片或滤芯滤过滤介质主要是石棉滤板、微孔膜片或滤芯滤菌菌四、药液除菌过滤过滤介质主要是石棉滤板、微孔膜片或滤芯滤菌56五、结晶体的过滤五、结晶体的过滤n 结晶体先通过过滤机脱水，然后干燥，最结晶体先通过过滤机脱水，然后干燥，最后获得终产物后获得终产物五、结晶体的过滤57