第四章過濾與沉降一、混合物的分類1、均相混合物（均相物系）在物系內部各處物料性質均勻一致而不存在相界面，均相物系中各物質以分子或離子狀態分散，如溶液及混合氣。2、非均相混合物（非均相物系）在物系內部有隔開兩相的界面存在，且相界面兩側物料是截然不同的，分為氣態非均相混合物和液態非均相混合物，前者如含塵氣體，后者如懸浮液、乳濁液。非均相混合物包含兩個部分：（1）分散相（分散物質）——非均相物系中處于分散狀態的物質，如混懸液中的固體顆粒、乳濁液中的微滴、泡沫液中的氣泡、含塵氣體中的粉粒等；（2）連續相（分散介質）——包圍著分散物質而處于連續狀態的流體，如混懸液中的液體、含塵氣體中的氣體。二、非均相混合物的分離目的

利用其分散相和連續相的密度、粒徑等物理性質的差異，可采用機械方法將它們分離。其分離的目的有：1、回收有用物質收集粉碎機、干燥器、蒸發設備等設備出口氣流中的藥粉或藥液霧滴。2、去除雜質和靜化空氣除去藥液中無用的混懸顆粒以便得到澄清的藥液；將結晶產品與母液分開；除去空氣中的塵粒以便得到潔凈空氣。3、環境保護和安全生產捕集生產廢氣中的粉塵以達到排放標準；去除容易構成危險隱患的漂浮粉塵保證安全生產。

對于液態均相物系，也可以利用物系中各物質分子粒徑的不同，可以使用超濾技術使其得到提純或分離等。第一節重力沉降

在某種力場中由于非均相物系中分散相和連續相之間存在密度差異，在力的作用下使之發生相對運動而實現分離的操作過程。視作用力的不同分為重力沉降和離心沉降兩種方式。一、重力沉降速度

依靠重力作用而發生的沉降過程。如中藥浸提液的靜置澄清工藝。1、球形顆粒的自由沉降

顆粒在靜止流體中沉降時，不受其他顆粒的干擾和器壁的影響，稱為自由沉降。沉降過程中受到三個力的作用：重力Fg，方向垂直向下；浮力Fb，方向向上；阻力Fd，方向向上。

顆粒開始沉降后，隨著速度的增加，阻力隨之增大，直到速度增加到一定值ut后，重力、浮力、阻力三者達到平衡，顆粒以ut作勻速沉降運動。

對于微小顆粒，沉降的加速階段時間很短，可以忽略不計，因此整個沉降過程可視為恒速過程。沉降速度ut為：（1）式中ut——沉降速度，m/s；ζ——沉降阻力因素，量綱一；

d為球形顆粒的直徑，ρs和ρ分別為顆粒密度和流體密度。

ζ與Ret（顆粒與流體相對運動時的雷諾準數）的關系：層流區（斯托克斯定律區）10-4＜Ret＜2，ζ=24/Ret（2）過渡區（艾侖定律區）2＜Ret＜103，ζ=10/Ret0.5（3）湍流區（牛頓定律區）103＜Ret＜2×105，ζ=0.44（4）

將（2）、（3）、（4）分別代入（1）式，可得各區域的沉降速度公式：

層流區10-4＜Ret＜2，（5）過渡區2＜Ret＜103，（6）

湍流區103＜Ret＜2×105，（7）

（5）、（6）、(7)式分別稱為斯托克斯公式、艾侖公式及牛頓公式。

由以上三個公式可以看出，ut與d、(ρs-ρ)呈正相關。2、非球形顆粒的自由沉降速度

相同密度的顆粒，球形或近球形顆粒的沉降速度大于同體積非球形顆粒的沉降速度。顆粒的球形度Ф：Ф=SP/S式中Ф——顆粒的球形度，或稱形狀因素，量綱一，Ф≤1；S——任意幾何形狀顆粒的表面積，m2；SP——與該顆粒體積相等的球體的表面積，m2。

由上式可知，Фs值越小，顆粒形狀與球形的差異越大。

計算雷諾數查取ζ值時，雷諾數Ret中直徑d應以非球形顆粒的體積當量直徑de來代替，即式中VP為任意形狀的沉降顆粒的體積；de為體積當量直徑。二、重力沉降設備

1、降塵室

利用重力沉降作用從含塵氣體中分離懸浮塵粒的設備。

含塵氣體以一定流速進入降塵室后，因流道截面積擴大而速度減慢，氣流中的懸浮塵粒因自身重力而產生垂直向下的分速度，只要顆粒能夠在氣體通過降塵室的時間內降至室底，便可實現分離。

氣體通過降塵室的時間為：t1=L/ug

顆粒完全沉降所需要的最長時間為：t2=H/ut式中H——降塵室高度，m；L——降塵室長度，m；ug——氣流在降塵室內的流速，m/s。

若要求降塵室出口氣流中無塵粒，必須有t1≥t2,即有L/ug≥H/ut或H≤L·ut/ug

對于一定粒徑和密度的懸浮微粒，重力沉降速度ut一定，若要提高降塵室的除塵效率，應盡量降低塵粒的沉降距離H，因此一般降塵室內均勻設置多層水平隔板，以提高除塵效率。

2、沉降槽

沉降槽是利用重力沉降使混懸液中固相與液相分離，得到澄清液與稠厚沉渣的設備，又叫澄清器或者增濃器。

間歇式沉降槽在中藥前處理水提醇沉工藝中較常用，是底部稍呈錐形并有出渣口的大直徑貯液罐。藥液裝入罐內靜置足夠時間后，用泵或虹吸管將上部清液抽出，由底口放出沉渣。

重力沉降速度的強化：增大沉降槽的橫截面積，以保證液體顆粒有足夠時間沉降；在不影響產品質量的前提下，可加入適宜的絮凝劑促使細微粒子絮凝，以提高沉降速度。第二節離心沉降

離心沉降是依靠慣性離心力的作用而實現的沉降過程。離心沉降比重力沉降的速度快、分離效果好，尤其當粒子較小或兩相密度差較小時可采用離心沉降。一、離心沉降速度

在慣性離心力場中，顆粒受到慣性離心力、向心力和阻力的作用，當三力達到平衡時，可求出離心沉降速度ur為：（8）

將（8）式與（1）式比較可以看出，顆粒的離心沉降速度與重力沉降速度具有相似的關系式，只是將重力加速度g換成了離心加速度(uT表示離心機轉鼓的切向速度)，但兩者有著本質區別：

重力沉降速度ut為恒定值，而離心沉降速度ur隨顆粒在離心力場中距軸心的距離R而變化。

在離心沉降速度所對應Ret位于層流區（10-4＜Ret＜1）時，阻力因素ζ仍然符合斯托克斯定律，將ζ=24/Ret代入（8）式有：（9）

將上式與（5）式相比，可得同一顆粒在同種流體中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為：（10）

上式中KC稱為離心分離因素，表示粒子所在位置上的慣性離心力場強度與重力場強度之比，是離心分離設備的重要性能指標。KC值越高說明離心分離設備的分離效率也越高。常用的離心沉降設備的KC值在幾十至幾千之間，高速離心機的KC值可達數十萬。

注意：在進行離心沉降時，重力沉降同時存在，但ur>>ut，因此在計算中可忽略ut。二、離心分離設備（一）旋風分離器

是利用慣性離心力的作用從含塵氣流中分離出塵粒的設備。旋風分離器結構簡單、耐用、造價低廉，對物料適應范圍廣，分離效率較高，是工業上常用的氣-固分離設備。一般用來除去氣流中直徑在5um以上的顆粒。在中藥生產中，旋風分離器常與袋濾器或濕法捕集裝置串聯使用，尤其是對于粒徑在5um以下的塵粒。

對于粗大顆粒，最好先用重力沉降法除去，以減少顆粒對旋風分離器的磨損。旋風分離器不適用于處理含濕量高的粘性粉塵及腐蝕性粉塵。

旋風分離器主體分為上下兩部分，上部為圓柱形筒體，下部為圓錐形筒體，上部有排風管和沿切向安裝的進風管，下部有集料管。工作原理見下頁圖示。

（二）旋液分離器

是利用慣性離心力的作用分離混懸液的設備。其結構和工作原理與旋風分離器相似。

由于混懸液中固-液兩相的密度差異較小，且粘度比含塵氣體大，所以混懸顆粒的分離效果不如旋風分離器。（三）離心分離機概念：利用離心力分離液態非均相物系中兩種比重不同物質的操作，稱為離心分離。

適用于離心分離的液態非均相物系包括懸浮液和乳濁液。根據離心分離因素KC的大小可將離心機分為常速離心機（KC＜3000）、高速離心機（KC=3000～50000）和超速離心機（KC＞50000）。

離心機按離心分離過程可分為離心過濾和離心沉降兩類。

1、離心過濾式離心機：轉鼓上有小孔，并襯以金屬網和濾布，混懸液隨轉鼓高速轉動時使轉鼓兩側產生壓力差，推動混懸液進行離心過濾。

2、離心沉降式離心機：轉鼓上無孔，混懸液或乳濁液被轉鼓帶動高速旋轉，密度大的物相向轉鼓內壁沉降，密度小的物相趨向旋轉中心，從而實現兩相分離。

常見的離心機主要有以下幾種：

1、三足式離心機

三足式離心機的轉鼓轉速為300～2800r/min，分離因數為300～1500，對物料適應性強，操作方便，結構簡單，制造成本低，是目前工業上廣泛采用的離心分離機。

缺點是需間歇或周期循環操作，生產能力較低；分離效率較低。

2、臥式刮刀卸料離心機

轉鼓轉速為450～3800r/min，分離因數為250～2500。既可手動操作，又可全自動控制，操作簡便，生產能力大，適合于含固體顆粒粒徑大于10um，固相的質量濃度大于25%而液相粘度小于10-2Pa·s的混懸液的分離。

3、臥式活塞推料離心機

為連續過濾式離心機，在轉鼓連續轉動中，加料、分離、甩干、洗滌濾餅、排渣等程序在轉鼓的不同部位可同時連續進行。適用于分離固相顆粒直徑較大、固相濃度較高（30%～70%）、濾液粘度較小的混懸液，多用于晶體顆粒與母液的分離，生產能力較大。

缺點是對混懸液的濃度較敏感。

4、螺旋卸料離心機

為連續型離心機，具有連續操作、結構緊湊、對物料有較好的適應性等優點。

5、管式高速離心機

為高轉速的沉降式離心機，Kc達15000～65000，轉速高達10000～50000r/min，分離因數大，效率高但生產能力小，用以分離普通離心機難以處理的物料。

6、碟片式離心機

為沉降式離心機，轉速為4000～7000r/min，Kc達4000～10000，用于分離含有兩種不同密度液體的乳濁液和澄清固相含量很少的懸浮液。如口服液、酒劑的除雜質、澄清。第三節過濾一、基本概念（一）過濾及過濾推動力

過濾——是利用流態混合物系中各物質粒徑的不同，以某種多孔物質作為篩分介質，將流體與混懸于流體中不能透過介質的粒子分開的單元操作。

根據被分離物質粒徑的不同分為過濾和超濾：

普通過濾指將非均相流態混合物系中流體與懸浮固體顆粒分離的單元操作，在外力作用下，懸浮液中的液體通過介質的孔道，而固體顆粒被截留，從而實現固液分離；

超濾是用于流態混合物系中按粒徑選擇溶液中所含微粒或大分子（天然膠、蛋白質）的分離或濃縮的單元操作。

過濾介質或濾材——在過濾操作中，用于截留固體顆粒或溶液中所含的微粒或大分子物質的多孔物質；

濾漿——待分離的混懸液體；

濾液——濾過得到的澄清液體；

濾餅或濾渣——被截留的物質。

在超濾操作中，透過超濾濾膜的濾液稱為透過液，未透過濾膜的液體稱為截留液或濃縮液。

過濾介質兩側的壓力差是過濾操作的推動力。

壓力差產生的方式有濾液自身重力、離心力和外加壓力。（二）過濾方式

按過濾介質截留粒子的方式分為表面過濾和深層過濾；按過濾推動力產生的方式分為自然過濾、加壓過濾、減壓過濾和離心過濾；按過濾介質的孔徑及濾液質量分為粗濾和精濾；按料液與過濾介質的相對流向分為截留過濾和錯流過濾。

1、表面過濾

又稱餅層過濾。固體沉積物在介質表面堆積、架橋形成濾餅層。濾餅層是有效的過濾介質，所以濾餅層形成前所得的混濁液，應在濾餅形成后重濾。

表面過濾適用于處理固相含量較高的懸浮液。表面過濾在中藥生產過程中應用較廣。

2、深層過濾

過濾時固體顆粒不形成濾餅而沉積于較厚的過濾介質內部。

深層過濾適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微的場合，例如水的凈化。

3、加壓過濾和減壓過濾

前者通過對濾漿加壓使過濾介質兩側的壓力差增大，后者則是通過在濾液一側抽真空使介質兩側壓力差增大。

4、錯流過濾

主要用于超濾，以錯流的方式使大分子溶質和小分子溶質分離開的方法。（三）常用的過濾介質

性能優良的過濾介質應具有化學惰性，低吸附性，耐熱耐腐蝕，而且應具有足夠的機械強度和盡可能小的流動阻力。

常用的過濾介質有：1、纖維織物——應用較廣，包括由棉、毛、絲、麻等天然纖維及合成纖維制成的濾布、濾紙、以及金屬絲網、玻璃絲網等。

2、多孔固體介質——由多孔陶瓷、玻璃、高分子材料等燒結制成，適用于含粘軟性絮狀懸浮顆粒或腐蝕性懸浮液的過濾。

3、粒狀介質——包括細砂、硅藻土、活性炭等。多用于深層過濾。

4、微孔濾膜——由高分子材料制成，應用于超濾和微濾。

過濾介質的選擇要根據待分離流體的腐蝕性和溫度、過濾質量要求，以及過濾介質的機械強度與價格等因素綜合考慮。（四）助濾劑

1、濾餅的壓縮性

視構成濾餅的顆粒剛性強、弱，在逐漸增大壓力差的情況下下，顆粒形狀和顆粒間空隙不變形的為不可壓縮濾餅，其單位厚度濾餅的過濾阻力恒定；顆粒形狀和顆粒間空隙變形的為可壓縮濾餅，其單位厚度濾餅的過濾阻力隨壓力差增加而增大。

濾餅的壓縮性對過濾效率及過濾介質的可使用時間影響很大，是設計過濾工藝和選擇過濾介質的依據。中藥浸提液過濾形成的濾餅多為可壓縮濾餅。

2、助濾劑

為了減少可壓縮濾餅的過濾阻力，可采用助濾劑改變濾餅結構，以提高濾餅的剛性和空隙率。

助濾劑通常是一些不可壓縮的粒狀或纖維狀固體，如活性炭。助濾劑應具有化學惰性，且不溶于液相中。

助濾劑的使用方法有兩種：一種是在懸浮液中加入助濾劑，一起過濾，在過濾中形成支撐骨架；另一種是先在過濾介質表面形成助濾劑層再進行正式過濾。

注意：當濾餅是產品時不能使用助濾劑.二、過濾方程（一）過濾基本方程式

過濾基本方程式表示過濾過程中任一瞬間的過濾速率與各有關因素的關系，是進行過濾計算的理論基礎及強化操作的基本依據，對可壓縮性濾餅和不可壓縮性濾餅都適用。（1）式中V——濾液量，m3；

t——過濾時間，s；——過濾壓力差，Pa；

A——過濾面積，m2；

μ——濾液粘度，Pa·s；

r0——單位壓力差下濾餅的比阻，m-2，對于不可壓縮濾餅r0=r；

s——濾餅的可壓縮性指數，量綱一，取值范圍為0～1，不可壓縮性濾餅s=0；——濾餅體積與相應的濾液體積之比，量綱一；

Ve——過濾介質的當量濾液量，m3。若令q=V/A，qe=Ve/A，則（1）式可表達為：

以上（1）（2）式均稱為過濾方程式。（2）（二）恒壓過濾方程

過濾過程中壓力差恒定，即△pc為一常數，稱為恒壓過濾。恒壓過濾是生產中最常用的過濾方式，多種過濾機均采用恒壓過濾。恒壓過濾時由于濾餅不斷加厚，對濾液的流動阻力逐漸增加，導致過濾速率逐漸變小。

恒壓過濾時對于確定的混懸液，μ、r0、s、均可視為常數。令式中K為由物料特性及過濾壓力差決定的過濾常數（稱濾餅常數），單位m2/s。則（1）式可簡化為：（3）對（3）式進行積分：得V2+2VVe=KA2t（4）或q2+2qqe=Kt（5）

令te=qe2/K（te為過濾介質的當量過濾時間，s），在(5)式兩邊分別加上qe2和Kte后可得：（q+qe）2=K(t+te)(6)

若過濾介質阻力可忽略時，Ve=0，te=0，上式可簡化為q2=Kt（7）

（4）、（5）、（6）、（7）式均稱為恒壓過濾方程式。

恒壓過濾方程式中Ｋ值是由物料特性及過濾壓力差所決定的常數（稱濾餅常數），單位m2/s；te與qe是反映過濾介質阻力大小的常數，均稱為介質常數，單位分別為s及m3/m2，三者總稱為過濾常數。

利用過濾方程式可計算要獲得一定體積濾液所需要的過濾時間，或一定過濾時間可獲得的濾液量。

例題1：以小型板框壓濾機過濾含某種物質13.9%的水懸浮液，溫度為20℃，壓濾機只有一個框，過濾面積為0.1m2，于1.09×105Pa（表壓）下獲得下列數據：

過濾時間(s)50660

濾液體積（L）2.459.8

試求恒壓過濾方程式（q+qe）2=K(t+te)中qe、te和K值。

解：將題目中恒壓過濾方程式

（q+qe）2=K(t+te)加以簡化得：q2+2qqe=Kt

根據已知條件得：t1=50s時，q1=V1/A=2.45×10-3/0.1=0.0245m3/m2t2=660s時，q2=V2/A=9.8×10-3/0.1=0.098m3/m2

將上述數據分別代入式q2+2qqe=Kt中聯立求解。得：qe=3.8×10-3m3/m2，K=1.57×10-5m2/s，te=qe2/K=0.92s

例題2：用一臺小型板框壓濾機對某混懸液進行過濾試驗，板框壓濾機（只有一個框）的過濾面積為0.1m2，于6.3×104Pa（表壓）下獲得下列數據：過濾時間(s)30300濾液體積（m3）2.17×10-39.60×10-3

試求解過濾方程式。

解：本題可視為恒壓過濾過程，由恒壓過濾方程式(q+qe)2=K(t+te)，需確定qe,K,te三個過濾常數。由已知t1=30s時，q1=V1/A=2.17×10-3/0.1=0.022m3/m2t2=300s時，q2=V2/A=9.60×10-3/0.1=0.096m3/m2

代入恒壓過濾方程式q2+2qqe=Kt即得：qe=0.018m3/m2，K=4.25×10-5m2/s

te=qe2/K=7.6s

因此得在本題設備條件下的過濾方程為：

(q+0.018)2=4.25×10-5(t+7.6)（三）恒速過濾與先恒速后恒壓的過濾

過濾過程中任一瞬間的過濾速率dV/dt恒定的過濾操作稱為恒速過濾。過濾時操作壓力差隨過濾時間的延長呈線性增大。

工業上恒速過濾只是在開始過濾時使用，隨著濾餅阻力的增大，過濾壓力升高，壓力升高到一定值后，轉入恒壓過濾，即常用的是先恒速再恒壓的過濾方法。

由于恒速過濾階段時間很短，為了簡化計算，整個過濾操作過程也可近似按恒壓過濾處理。

過濾方式的總結：（1）恒壓過濾，△p不變，t增大，濾餅厚度L增大，阻力r增大，dV/dt減小趨于０；

（2）恒速過濾，dV/dt不變，t增大，L增大，r增大，△p增大；

（3）先恒速再恒壓，常用。三、過濾設備

按操作方式分為間歇過濾機和連續過濾機，按過濾推動力產生的方式可分為壓濾機、真空過濾機和離心過濾機。過濾機的選擇原則：滿足生產對分離質量和產量的要求，對物料適應面廣，操作方便，設備、操作和維護的綜合費用最低。根據物料特性選擇過濾機時，應考慮以下因素：

1、流體的性質——粘度、密度、溫度是選擇過濾機和過濾介質的基本依據。

2、固體懸浮物的性質——粒徑、硬度、可壓縮性、固液體積分率。3、產品的類型及價格——產品是濾液還是濾餅，濾餅是否需要洗滌，產品的價格。中藥生產中的過濾主要是中藥材浸提液的澄清處理，產品是濾液。

（一）板框壓濾機

是目前使用最廣泛的壓濾式過濾機，由若干塊濾板和濾框間隔排列，濾板和濾框的一個對角分別開有小孔，其中濾框上角的孔與濾框中心相通，濾板下角的孔與濾板中心相通，板和框組合后分別構成供濾液或濾漿流通的管路，濾板和濾框裝合時給濾框兩側覆蓋濾布，圍成了容納濾漿及濾餅的空間。板框壓濾機為間歇操作，每個操作周期由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個階段組成。

板框壓濾機結構緊湊，單位體積設備的過濾面積大，過濾介質可根據物料性質選用，對物料適應性強。

缺點是密封周邊長，操作壓力不能太高；間歇操作，效率低，勞動強度大，濾框容積有限。（二）全自動板式加壓過濾機

為間歇式加壓過濾機。由若干塊耐壓的中空矩形濾板平行排列在耐壓機殼內組裝而成。濾板外覆蓋濾布。過濾時全部濾板浸在濾漿中加壓過濾，濾渣被濾布截留。過濾結束時，壓縮空氣反吹洗滌后的濾餅使其從濾板上剝離。

優點：過濾面積大，結構緊湊，占地面積小，密閉操作，加壓過濾，效率高，整個過程可實現自動化控制。（三）高分子精密微孔過濾機

為間歇式加壓過濾機，由耐壓機殼和內部垂直排列安裝的若干根耐壓的中空高分子精密微孔濾管構成。過濾過程與全自動板式加壓過濾機相似。

優點：過濾面積大，濾液在介質中呈三維流向，特別適合含膠質及粘軟懸浮顆粒的中藥浸提液的過濾，整個過程可實現自動化控制，過濾介質使用壽命長。（四）轉筒真空過濾機

為連續式真空過濾裝置，由濾漿槽、籃式轉鼓、分配頭、刮刀等部件組成。籃式轉鼓是一個轉軸呈水平放置的圓筒，圓筒一周為金屬網上覆蓋濾布構成的過濾面，轉鼓在旋轉過程中，過濾面可依次浸入濾漿中，每個過濾面可順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸渣等操作。同一時間內轉筒的不同位置處于不同的操作過程。

轉筒浸沒部分一般占總過濾面積的30%～40%。

該過濾機能連續自動操作，特別適合于處理量大而固相體積分率較高的濾漿的過濾。不適用于過濾溫度較高的濾漿，因抽真空造成的負壓能使高溫濾液蒸發而失去真空度。四、過濾機的生產能力

過濾機的生產能力通常是指單位時間獲得的濾液體積。（一）間歇過濾機的生產能力

1、間歇過濾機的生產能力計算Q=V/T=V/(t+tw+tD)式中：Q——生產能力，m3/s；V——一個操作循環內所獲得的濾液體積，m3；T——一個操作循環的時間，即操作周期，s；t——一個操作循環內的過濾時間，s；tw——一個操作循環內的洗滌時間，s；tD——一個操作循環內的卸渣、清理、裝合等輔助操作時間，s。

2、洗滌濾餅的目的

（1）若濾液是產品時，回收濾餅中殘留的濾液；

（2）若濾餅是產品時，除去濾餅中殘留的可溶性雜質。（二）連續過濾機的生產能力

以轉筒真空過濾機為例，當其轉速為n(r/min)；總過濾面積為A；轉筒浸沒度ψ=浸沒角度/360°，量綱一，當濾布阻力可以忽略時，則有：(超濾)（一）超濾原理及超濾技術的適應性

超濾屬于膜分離操作，其原理還處于研究階段。超濾技術又稱為分子篩分技術，實現超濾分離的介質是超濾膜，孔徑為10-3～10-1μm，可用于截留膠體粒子和分子量為103～106的大分子。在壓力差作用下將粒徑大于和小于膜孔徑的分子分離開。第四節膜過濾（二）超濾裝置

由一定數量的超濾膜組件按生產規模的需要組裝而成。

各種膜組件中原料液的